Historia

Förekomsten av gallium förutspåddes vetenskapligt av D.I.Mendeleev. När han skapade det periodiska systemet av kemiska grundämnen 1869, baserat på den periodiska lagen som upptäcktes av honom, lämnade han vakanser i den tredje gruppen för okända grundämnen - analoger av aluminium och kisel (ekaaluminium och ekasilicon). Mendeleev, baserat på egenskaperna hos närliggande, väl studerade element, beskrev ganska noggrant inte bara de viktigaste fysikaliska och kemiska egenskaperna, utan också metoden för upptäckt - spektroskopi. I synnerhet i en artikel daterad 11 december (29 november, gammal stil), 1870, publicerad i Journal of the Russian Chemical Society, påpekade Mendeleev att atomvikten för eka-aluminium är nära 68, den specifika vikten är ca. 6 g/cm 3. I metalliskt tillstånd kommer metallen att vara smältbar.

Gallium upptäcktes snart, isolerades som en enkel substans, och studerades av den franske kemisten Paul Émile Lecoque de Boisbaudran. 20 september 1875. Vid ett möte med vetenskapsakademin i Paris lästes ett brev från Lecoq de Boisbaudran om upptäckten av ett nytt grundämne och studiet av dess egenskaper upp. I brevet stod det att han den 27 augusti 1875, mellan klockan 15 och 16, upptäckte tecken på en ny enkel kropp i ett prov av zinkblandning från Pierfitte-gruvan i Argelesdalen (Pyrenéerna). Så, genom att undersöka provets spektrum, avslöjade Lecoq de Boisbaudran två nya violetta linjer, vilket indikerar närvaron av ett okänt element i mineralet. I samma brev föreslog han att det nya elementet skulle namnges Gallium... Isolering av elementet var förenat med svårigheter, eftersom innehållet av det nya elementet i malmen var mindre än 0,2%. Som ett resultat lyckades Lecoq de Boisbaudran få ett nytt element i en mängd på mindre än 0,1 g och studera det. Egenskaperna hos det nya elementet visade sig likna zink.

Meddelandet om namnet på elementet till Frankrikes ära väckte stormig förtjusning. Mendeleev, efter att ha lärt sig om upptäckten från den publicerade rapporten, fann att beskrivningen av det nya elementet nästan exakt sammanfaller med beskrivningen av det tidigare förutspådda ekaaluminiumet. Han skickade ett brev till Lecoq de Boisbaudran om detta och indikerade att densiteten för den nya metallen bestämts felaktigt och borde vara 5,9-6,0, inte 4,7 g/cm 3. En noggrann kontroll visade att Mendeleev hade rätt, och Lecoq de Boisbaudran skrev själv om detta:

Jag tror ... det finns inget behov av att påpeka den exceptionella betydelse som tätheten av det nya elementet har i förhållande till bekräftelsen av Mendelejevs teoretiska åsikter.

Upptäckten av gallium och de snart följande upptäckterna av germanium och skandium stärkte den periodiska lagens position, vilket tydligt visar dess prediktiva potential. Mendeleev kallade Lecoq de Boisbaudran för en av "den periodiska lagens stärkare".

namnets ursprung

Paul Émile Lecoq de Boisbaudran döpte elementet efter sitt hemland Frankrike, med dess latinska namn - Gallien ( Gallia) .

Det finns en odokumenterad legend att i elementets namn, dess upptäckare implicit förevigat hans efternamn ( Lecoq). Elementets latinska namn ( Gallium) konsonant gallus- "tupp" (lat.). Det är anmärkningsvärt att det är tuppen le coq(franska) är Frankrikes symbol.

Att vara i naturen

Den genomsnittliga galliumhalten i jordskorpan är 19 g/t. Gallium är ett typiskt spårämne med en dubbel geokemisk natur. På grund av närheten av dess kristallkemiska egenskaper med de viktigaste bergbildande elementen (Al, Fe, etc.) och den breda möjligheten till isomorfism med dem, bildar gallium inte stora ansamlingar, trots det betydande värdet av clarke. Följande mineraler med hög galliumhalt särskiljs: sfalerit (0-0,1%), magnetit (0-0,003%), kassiterit (0-0,005%), granat (0-0,003%), beryl (0-0,003%) , turmalin (0-0,01%), spodumen (0,001-0,07%), flogopit (0,001-0,005%), biotit (0-0,1%), muskovit (0-0,01%), sericit (0-0,005%), lepidolit (0,001-0,03%), klorit (0-0,001%), fältspat (0-0,01%), nefelin (0-0,1%), heckmanit (0,01-0,07%), natrolit (0-0,1%). Galliumkoncentrationen i havsvatten är 3⋅10 −5 mg/l.

Födelseort

Galliumfyndigheter är kända i sydvästra Afrika, Ryssland och OSS-länderna.

Tar emot

För att få metalliskt gallium används ofta det sällsynta mineralet galliten CuGaS 2 (blandad koppar och galliumsulfid). Dess spår återfinns ständigt med sfalerit, kopparkis och germanit. Betydligt större mängder av det (upp till 1,5 %) hittades i askan från en del kol. Den huvudsakliga källan till galliumproduktion är dock lösningar av aluminiumoxidproduktion vid bearbetning av bauxit (som vanligtvis innehåller obetydliga föroreningar (upp till 0,1%)) och nefelin. Gallium kan också erhållas genom att bearbeta polymetalliska malmer, kol. Det extraheras genom elektrolys av alkaliska vätskor, som är en mellanprodukt av naturlig bauxitbearbetning till teknisk aluminiumoxid. Galliumkoncentration i alkalisk aluminatlösning efter sönderdelning i Bayerprocessen: 100-150 mg/l, enligt sintringsmetoden: 50-65 mg/l. I dessa metoder separeras gallium från det mesta av aluminiumet genom förkolning och koncentreras i den sista fraktionen av sedimentet. Därefter behandlas det anrikade slammet med kalk, gallium går i lösning, varifrån råmetallen frigörs genom elektrolys. Det förorenade galliumet tvättas med vatten, filtreras sedan genom porösa plattor och upphettas under vakuum för att avlägsna flyktiga föroreningar. För att erhålla gallium av hög renhet används kemiska (reaktioner mellan salter), elektrokemiska (elektrolys av lösningar) och fysikaliska (nedbrytnings) metoder. I en mycket ren form (99,999%) erhölls den genom elektrolytisk raffinering, såväl som genom reduktion av grundligt renad GaCl3 med väte.

Fysikaliska egenskaper

Förutom dem är 29 konstgjorda radioaktiva isotoper av gallium med masstal från 56 Ga till 86 Ga och minst 3 isomera tillstånd av kärnor kända. De radioaktiva isotoperna av gallium som har längst livslängd är 67 Ga (halveringstid 3,26 dagar) och 72 Ga (halveringstid 14,1 timmar).

Kemiska egenskaper

De kemiska egenskaperna hos gallium ligger nära de hos aluminium, men metalliskt galliums reaktioner är som regel mycket långsammare på grund av den lägre kemiska aktiviteten. En oxidfilm som bildas på metallytan i luft skyddar gallium från ytterligare oxidation.

Gallium reagerar långsamt med hett vatten, tränger undan väte från det och bildar gallium(III)hydroxid:

2 G a + 6 H 2 O → 2 G a (OH) 3 + 3 H 2 (\ displaystyle (\ mathsf (2Ga + 6H_ (2) O \ högerpil 2Ga (OH) _ (3) + 3H_ (2) \ uppåtpil)))

Vid reaktion med överhettad ånga (350 ° C) bildas föreningen GaOOH (galliumoxidhydrat eller metagallsyra):

2 G a + 4 H 2 O → till 2 G a OOH + 3 H 2 (\ displaystyle (\ mathsf (2Ga + 4H_ (2) O (\ xhögerpil (t ^ (o)))) 2GaOOH + 3H_ (2)) )) 2 G a + 6 H C l → 2 G a C l 3 + 3 H 2 (\ displaystyle (\ mathsf (2Ga + 6HCl \ högerpil 2GaCl_ (3) + 3H_ (2) \ uppåtpil))) 2 G a + G a I 3 → o t 3 G a I (\ displaystyle (\ mathsf (2Ga + GaI_ (3) (\ xhögerpil (^ (o) t)) 3GaI)))

Gallium interagerar inte med väte, kol, kväve, kisel och bor.

Vid höga temperaturer kan gallium förstöra olika material och dess effekt är starkare än smältan av någon annan metall. Så, grafit och volfram är resistenta mot verkan av galliumsmälta upp till 800 ° C, alundum och berylliumoxid BeO - upp till 1000 ° C, tantal, molybden och niob är resistenta upp till 400-450 ° C.

Med de flesta metaller bildar gallium gallider, med undantag för vismut, samt metaller från undergrupperna zink, skandium och titan. En av V 3 Ga-galliderna har en ganska hög supraledande övergångstemperatur på 16,8 K.

Gallium bildar hydridogallater:

4 L i H + G a C l 3 → L i [G a H 4] + 3 L i C l (\ displaystyle (\ mathsf (4LiH + GaCl_ (3) \ högerpil Li + 3LiCl))) [G a H 4] - + 4 H 2 O → Ga (OH) 3 + OH - + 4 H 2 (\ displaystyle (\ mathsf (^ (-) + 4H_ (2) O \ högerpil Ga (OH) _ (3) + OH ^ (-) + 4H_ (2) \ uppåtpil)))

Gallium har ett antal legeringar som är flytande vid rumstemperatur (den sk gallam), och en av dess legeringar har en smältpunkt på -19 ° C (Galinstan, In-Ga-Sn eutektisk). Gallams används för att ersätta giftigt kvicksilver som flytande tätningar för vakuumanordningar och diffusionslösningar, som smörjmedel vid sammanfogning av kvarts, glas och keramiska delar. Å andra sidan är gallium (legeringar i mindre utsträckning) mycket korrosivt för de flesta konstruktionsmaterial (sprickbildning och erosion av legeringar vid höga temperaturer). Till exempel, i förhållande till aluminium och dess legeringar, är gallium en kraftfull hållfasthetsreducerare (se adsorptionsminskning i hållfasthet, Rebinder-effekt). Denna egenskap hos gallium demonstrerades och studerades i detalj av P. A. Rebinder och E. D. Shchukin när aluminium kommer i kontakt med gallium eller dess eutektiska legeringar (flytande metallförsprödning). Dessutom orsakar vätning av aluminium med en film av flytande gallium dess snabba oxidation, liknande vad som händer med aluminium amalgamerat med kvicksilver. Gallium löser sig vid smältpunkten cirka 1 % av aluminium, som når filmens yttre yta, där det omedelbart oxideras av luft. Oxidfilmen på vätskeytan är instabil och skyddar inte mot ytterligare oxidation. Som ett resultat används inte flytande galliumlegering som ett termiskt gränssnitt mellan en värmealstrande komponent (till exempel en dators centralprocessor) och en aluminiumradiator.

Gallium och dess eutektiska legering med indium används som kylmedel i reaktorkretsar.

Gallium kan användas som smörjmedel och som beläggning för specialspeglar. På basis av gallium och nickel, gallium och scandium har praktiskt taget viktiga metalllim skapats.

Kvartstermometrar är också fyllda med metalliskt gallium (istället för) för att mäta höga temperaturer. Det beror på att gallium har en betydligt högre kokpunkt än kvicksilver.

Galliumoxid är en del av ett antal viktiga lasermaterial i granatgruppen - GHA (gadolinium-scandium-gallium granat), ISGG (yttrium-scandium-gallium granat), etc.

Galliumnitridkristaller ( vänster och galliumarsenid

Galliumarsenid GaAs används aktivt i mikrovågselektronik och halvledarlasrar.

Galliumnitrid GaN används för att skapa halvledarlasrar och lysdioder i det blå och ultravioletta området. Galliumnitrid har utmärkta kemiska och mekaniska egenskaper som är typiska för alla nitridföreningar.

Gallium är ett element i huvudundergruppen av den tredje gruppen av den fjärde perioden av det periodiska systemet av kemiska element i D. I. Mendeleev, med atomnummer 31. Det betecknas med symbolen Ga (latinsk Gallium). Tillhör gruppen lättmetaller. Det enkla ämnet gallium är en mjuk plastmetall av en silvervit (enligt andra källor, ljusgrå) färg med en blåaktig nyans.
Den genomsnittliga galliumhalten i jordskorpan är 19 g/t. Gallium är ett typiskt spårämne med dubbel geokemisk natur. På grund av närheten till dess kristallkemiska egenskaper med de viktigaste bergbildande elementen (Al, Fe, etc.) och den breda möjligheten till isomorfism med dem, bildar gallium inte stora ansamlingar, trots det betydande värdet av clarke.

Följande mineraler med hög galliumhalt särskiljs: sfalerit (0 - 0,1%), magnetit (0 - 0,003%), kassiterit (0 - 0,005%), granat (0 - 0,003%), beryl (0 - 0,003%) , turmalin (0 - 0,01 %), spodumen (0,001 - 0,07 %), flogopit (0,001 - 0,005 %), biotit (0 - 0,1 %), muskovit (0 - 0,01 %), sericit ( 0 - 0,005 %), lepidolit (0,001 - 0,03 %), klorit (0 - 0,001 %), fältspat (0 - 0,01 %), nefelin (0 - 0,1 %), heckmanit (0,01 - 0,07 %), natrolit (0 - 0,1 %). Galliumkoncentrationen i havsvatten är 3 · 10-5 mg/l.
Galliumfyndigheter är kända i sydvästra Afrika, Ryssland och OSS-länderna. Världens galliumresurser i bauxit uppskattas till över en miljard kilo. Dessutom finns en betydande mängd gallium i världens zinkmalmreserver. Men bara en liten del av galliumet i bauxit- och zinkmalm är ekonomiskt utvinningsbart.
Gallium kanske inte räcker, men det kan inte kallas sällsynt. Det är rikligare än många kända metaller som antimon, molybden, silver och volfram, men till skillnad från dessa grundämnen finns gallium sällan, om aldrig, i ekonomiska koncentrationer i naturliga mineraler. De två huvudsakliga källorna till kommersiellt gallium är dess återvinning från bauxit vid aluminiumoxidproduktion och återvinning från rester från urlakning av zinkoxid före elektrolys.
Gallium finns inte i elementär form i jordskorpan, men finns oftast i form av ett gallium (III) salt. Den tillverkas främst av bauxit. Under 2010, med en global produktionskapacitet på 256-261 ton, producerades 78 ton metall på detta sätt. Den globala galliumproduktionen som helhet under 2010 beräknas ha varit cirka 201-212 ton. Denna omständighet visar tydligt en hög grad av sekundär metallreduktion, såväl som överdriven produktions-/bearbetningskapacitet för närvarande. Förbrukningen av gallium 2010 låg på nivån 280 ton, vilket tydde på att det fanns ett underskott på världsmarknaden och en partiell förbrukning av metall från reserver. Under 2011 sjönk galliumförbrukningen till 218 ton, vilket resulterade i ett överskott av metall på marknaden (volymen av primär galliumproduktion i världen var 292 ton).
Sekundär reduktion (bearbetning) av gallium. Bristen på gallium från malmen ledde till betydande volymer av dess sekundära produktion. I Japan producerades cirka 90 ton metalliskt gallium under 2010 genom återvinning från avfall, och ytterligare 60 ton gallium - potentiellt inkluderat i epitaxis vätskefasproduktions "loop", inte omedelbart tillgänglig för konsumtion eller i en användbar form för andra ändamål .
Den sekundära minskningen av gallium i halvledartillverkningsprocesser är också en viktig källa. På grund av halvledartillverkningens flerstegskaraktär och kravet på extremt hög kvalitetskontroll vid varje steg, krävs en mycket större volym gallium än vad som faktiskt finns i halvledarna. Det amerikanska energidepartementet rapporterade att 2010 stod den globala galliumåtervinningskapaciteten för cirka 42 % (delvis resultatet av den tidigare nämnda halvledartillverkningsprocessen) av världens galliumtillverkningskapacitet.
Kina anses vara den ledande tillverkaren av primärt gallium, följt av Tyskland, Kazakstan, Ukraina, Sydkorea och Ryssland. Gallium tillverkas även i Ungern och Japan. Världsproduktionen av raffinerat gallium, inklusive återvinning från avfall, uppskattas till 378 ton (2011).
Kina, Japan, Storbritannien och USA var 2010 de största producenterna av raffinerat gallium. Gallium framställs från återvinning i Kanada, Tyskland, Japan, Storbritannien och USA. Neo Material uppskattade att 50 % av det gallium som konsumerades över hela världen 2010 kom från återvunna källor.
De största galliumtillverkarna i Kina är Aluminium Corporation China Ltd, Beijing Jia Semiconductor Material Co. Ltd, China Crystal Technologies Ltd, East Gallium Hope Mienchi Industry Co. och Zhuhai Fanyuan. Kinas totala produktionskapacitet för produktion av gallium 2010 uppskattades till 141 ton.
Huvuddelen av den primära galliumproduktionskapaciteten finns nu i Kina, Tyskland och Kazakstan, efter minskningen av antalet galliumraffineringsföretag i Ryssland och stängningen av en fabrik i Frankrike. Kina ökade sin primära galliumproduktionskapacitet från 141 ton/år 2010 till 280 ton/år i slutet av 2011.
En betydande del av gallium kommer från sekundär produktion, särskilt från GaAs-bearbetning och avfall från flytande epitaxi. De viktigaste centra för sekundär produktion är Japan och Nordamerika. Samtidigt finns det inte tillräckligt med data om effektiv behandling av avfall som innehåller gallium i Kina, trots att landet håller på att bli en av de största konsumenterna av denna metall.
Gallium är ryggraden i elektronikindustrin. Gallium är basen av föreningar som galliumarsenid (GaAs) och galliumnitrid (GaN), halvledare som används inom elektronikindustrin. Det används också vid tillverkning av minnesceller.
Optoelektroniska enheter som lysdioder, laserdioder, fotosensorer och solceller tillverkade av GaAs fortsätter att vara den största konsumtionen av gallium över hela världen. Inom en snar framtid förväntas användningen av GaAs öka, särskilt på kommunikationsmarknaderna. Tillväxten i användningen av cellulär kommunikation och satellitnavigeringsenheter förväntas öka efterfrågan på gallium.
Gallium används som GaN i laserdioder och lysdioder (LED). Nya GaN-enheter används för att skapa högdensitetslagring (CD-spelare och digitala videospelare), högkvalitativ laserutskrift, kommunikation och belysning. GaN-transistorer arbetar vid höga spänningar och med en högre energitäthet än GaAs-enheter. Gallium används i vissa högtemperaturtermometrar, och en eutektisk legering av gallium, indium och tenn används ofta i sådana termometrar och ersätter kvicksilver. Gallium används också som en komponent i lågsmältande legeringar och för att göra blanka speglar. Galliumsalter som galliumcitronsyra och galliumnitrat används inom medicinen.
Den globala efterfrågan på gallium har under de senaste åren varit störst inom den optoelektroniska industrin, särskilt lysdioder. På grund av dess bättre egenskaper används GaAs alltmer i stället för kisel i integrerade kretsar i många skyddande tillämpningar. Mobiltelefonmarknaden har till stor del varit ansvarig för ökningen av galliumkonsumtionen under de senaste åren.
Galliummarknaden har upplevt tillväxt: 2010 var efterfrågan på metallen stark inom både den elektroniska och optoelektroniska sektorn. Ökningen av galliumkonsumtion har drivits av en växande efterfrågan på smartphones och multi-band, multi-mode telefoner, samt en ökning av användningen av lysdioder i belysning och bildskärmar. I Kina är ungefär hälften av den identifierade konsumtionen i NdFeB magnetiska material – ett mönster som inte replikeras någon annanstans i världen, men som har potential för tillväxt i Japan.
Gallium kan ersätta indium i halvledartillverkning, och i tunnfilmssolcellsteknologi, kiselbaserad teknologi, vissa former av tunnfilmskadmiumselenid eller kopparindiumselenidbaserade solcellsceller, bland annat. Utvecklingen av dessa olika former av solcellsteknik gör att utsikterna för den globala galliummarknaden förblir oklara. Fördelarna med gallium som en komponent i solcellstekniken verkar inte heller vara definitivt fördelaktiga jämfört med konkurrerande material och kompositioner.
Den huvudsakliga användningen för gallium är vid tillverkning av optoelektronik och halvledare. Ytterligare efterfrågan som gallium kommer från dess användning som en genomskinlig anod i stora skärmar och solid-state belysning, tunnfilmstransistorer, neodymjärnbormagneter och batterier, litiumbatterier och kopparindium galliumselenid solceller. I allmänhet är användningen av gallium i viss elektronik begränsad på grund av dess begränsade tillgänglighet. Metallen ersätts som mindre ekonomiskt viktig, med den totala världsproduktionen som bara står för ungefär en tiondel av den från indium.

Global galliumförbrukning, ton *

år	2008	2009	2010	2011	2012
Japan	122.3	111.3	116.0	114.0	110.0
USA	28.7	24.9	33.5	35.3	35.0
Andra länder	39.2	40.6	130.5	68.7	75.0
Total	190.2	176.8	280.0	218.0	220.0

* Sammanfattningsdata

Priserna på gallium (nedan, priserna på gallium importerat till USA, data från US Geological Survey) ökade från 2004 till 2011, med undantag för 2005, 2006 och 2009, som drevs av tillväxten på smartphonemarknaden, ökad användning av lysdioder i belysning och efterfrågan på optoelektroniska enheter (Blu-ray, DVD, etc.). Under perioden 2003 till 2011 ökade priserna på gallium på världsmarknaden med mer än 1,5 gånger, från cirka $ 411 / kg till $ 688 / kg. Under 2012 sjönk galliumpriserna något - till 556 $ / kg i genomsnitt, men låg kvar på en mycket hög nivå.

Med sina enorma bauxitresurser har Indien potential att öka aluminiumoxidproduktionen av exportinriktade raffinaderier, vilket skulle kunna öka tillgången på metallen för inhemsk konsumtion och den globala marknaden. Efterfrågan på gallium kommer sannolikt att öka på grund av tillväxten av elektronikindustrin i landet. Utvecklingen av lokal teknik är av strategisk betydelse, liksom samarbete med främmande länder för rening och produktion av metall. Zinkfyndigheter, som en alternativ källa, kommer att bli ekonomiskt lönsamma när lättillgängliga galliumkällor förbrukas.
Efterfrågan på gallium beräknas växa med cirka 15 % per år fram till 2015, och denna ökade förbrukning kommer att drivas på av både befintlig överkapacitet, särskilt inom sekundär raffinering, och ny huvudkapacitet som planeras för driftsättning i Kina och möjligen i Nordamerika. Oanvänt lager av återvunnet material kommer att ackumuleras i Kina, medan återvinningen kommer att förbli låg.

Kemi

Gallium nr 31

Gallium undergrupp. Innehållet av var och en av medlemmarna i denna undergrupp i jordskorpan i serien av gallium (4-10 ~ 4%) -indium (2-10 ~ 6) - tallium (8-10-7) minskar. Alla tre "grundämnen är extremt finfördelade, och de är inte karakteristiska för att vara i form av vissa mineraler. Tvärtom innehåller mindre föroreningar av deras föreningar malmer av många metaller. Ga, In och Ti erhålls från avfall vid bearbetning av sådana malmer .
I det fria tillståndet är gallium, indium och tallium silvervita metaller. Deras viktigaste konstanter jämförs nedan:
Ga In Tl

Fysikaliska egenskaper hos gallium

Densitet, g/cjH3 5,9 7,3 11,9
Smältpunkt, ° С. ... ... 30,157,304
Kokpunkt, ° С ... 2200 2020 1475
Elektrisk ledningsförmåga (Hg = 1). ... 2 11 6

Genom hårdhet gallium nära ledning, In och Ti - ännu mjukare 6-13.
I torr luft förändras inte gallium och indium och tallium är täckt med en grå oxidfilm. Vid upphettning kombineras alla tre grundämnen kraftigt med syre och svavel. De interagerar med klor och brom även vid vanliga temperaturer, med jod endast vid upphettning. Ligger i en serie spänningar runt järn, Ga, In och Ti är lösliga i syror. 14 '15
De vanliga valenserna för gallium och indium är tre. Tallium ger derivat där det är tre- och monovalent. arton
Galliumoxider och dess analoger - vit Ga 2 O 3, gul 1n203 och brun T1203 - är olösliga i vatten - motsvarande hydroxider E (OH) 3 (som kan erhållas från salter) är gelatinösa fällningar som är praktiskt taget olösliga i vatten, men löslig i syror. Vita hydroxider Ga och In är också lösliga i lösningar av starka alkalier med bildning av gallater och indater som liknar aluminater. De har därför en amfoter karaktär, och de sura egenskaperna är mindre uttalade i In (OH) 3 och i Ga (OH) 3 starkare än i Al (OH) 3. Så, förutom starka alkalier, är Ga (OH) 3 lösligt i starka NH 4 OH-lösningar. Tvärtom löser sig inte rödbrun Ti (OH) 3 i alkalier.
Ga "" och In "jonerna är färglösa och Ti-jonen har en gulaktig färg. Salterna av de flesta syror som framställs av dem är lättlösliga i vatten, men starkt hydrolyserade; Många av de lösliga salterna av svaga syror genomgår nästan fullständig hydrolys. Även om derivaten av de lägsta valenserna Ga och In inte är typiska för dem, är tallium mest typiskt för de föreningar där det är univalent. Därför har T13+-salter markant uttalade oxiderande egenskaper.

Talliumoxid (T120) bildas som ett resultat av växelverkan mellan grundämnen vid höga temperaturer. Det är ett svart hygroskopiskt pulver. Med vatten bildar talliumoxid gult dikvävehydrat (Т10Н), som vid upphettning lätt spjälkar av vattnet och går tillbaka till Т120.
Talliumhydroxid är mycket löslig i vatten och är en stark bas. Salterna det bildar är för det mesta färglösa och
kristallisera utan vatten. Klorid, bromid och jodid är nästan olösliga, men vissa andra] salter är lösliga i vatten. På grund av hydrolys ger godtycklig TiOH och svaga syror en alkalisk reaktion i lösningen. Under inverkan av: starka oxidanter (till exempel klorvatten) oxideras envärt tallium till trevärt 57-66
När det gäller de kemiska egenskaperna hos grundämnen och deras föreningar liknar galliumundergruppen på många sätt "germaniumundergruppen. Så för Ge och Ga är den högsta valensen mer stabil, för Pb och T1, den lägsta, den kemiska arten av hydroxider i serierna Ge-Sn-Pb och Ga-In-Ti. Ibland uppträder mer subtila likhetsdrag ytterligare, till exempel den låga lösligheten av halidsalter (Cl, Br, I) av både Pbn och Ti. För alla att det finns betydande skillnader mellan elementen i båda undergrupperna (delvis på grund av deras olika valens): den sura karaktären hos Ga-hydroxider och dess analoger är mycket mindre uttalad än den hos motsvarande element i germanium-undergruppen; i motsats till PbF 2 , är talliumfluorid lättlöslig, etc.

Gallium tillskott

1. Alla tre medlemmarna i den undergrupp som betraktades upptäcktes med hjälp av ett spektroskop: 1 tallium - 1861, indium - 1863 och gallium - 1875. Det sista av dessa grundämnen förutspåddes och beskrevs av D.I.Mendeleev fyra år före upptäckten. (VI § 1). Naturligt gallium är sammansatt av isotoper med masstalen 69 (60,2%) och 71 (39,8); indium-113 (4,3) och 115 (95,7); tallium - 203 (29,5) och 205 (70,5%).
2. I grundtillståndet har atomerna av element i galliumundergruppen strukturen av de yttre elektronskalen 4s2 34p (Ga), 5s25p (In), 6s26p (Tl) och är monovalenta, i Excitation av trivalenta tillstånd kräver kostnader 108 (Ga) ), 100 (In) eller 129, (Ti) kcal/g-atom. De på varandra följande joniseringsenergierna är 6,00; 20,51; 30,70 för Ga; 5,785; 18,86; 28.03 för In: 6.106; 20,42; 29,8 eV för T1. Talliumatomens elektronaffinitet uppskattas till 12 kcal / g-atom.
3. Det sällsynta mineralet gallit (CuGaS 2) är känt för gallium. Spår av detta grundämne finns ständigt i zinkmalmer. Betydligt stora mängder av det: E (upp till 1,5 %) hittades i askan från en del kol. Den huvudsakliga råvaran för industriell produktion av gallium är dock bauxit, som vanligtvis innehåller obetydliga föroreningar (upp till 0,1%). Det extraheras genom elektrolys från alkaliska vätskor, som är en mellanprodukt av naturlig bauxitbearbetning till teknisk aluminiumoxid. Storleken på den årliga världsproduktionen av gallium är hittills beräknad i några ton, men kan ökas avsevärt.
4. Indium erhålls huvudsakligen som en biprodukt vid komplex bearbetning av sulfidmalmer Zn, Pb och Cu. Dess årliga världsproduktion är flera tiotals ton.
5. Tallium koncentreras huvudsakligen i pyrit (FeS2). Därför är slam av svavelsyraproduktion ett bra råmaterial för att erhålla detta element. Den årliga globala produktionen av tallium är mindre än för indium, men uppgår också till tiotals ton.
6. För att isolera Ga, In och T1 i ett fritt tillstånd används antingen elektrolys av lösningar av deras salter eller uppvärmning av oxider i en väteström. Värmen från smältning och förångning av metaller har följande värden: 1,3 och 61 (Ga), 0,8 och 54 (In), 1,0 och 39 kcal / g-atom (T1). Värmen för deras sublimering (vid 25 ° C) är 65 (Ga), 57 (In) och 43 kcal / g-atom (T1). I par består alla tre grundämnen nästan uteslutande av monoatomiska molekyler.
7. Galliums kristallgitter bildas inte av enskilda atomer (som är vanligt för metaller), utan av diatomiska molekyler (rf = 2,48A). Det är alltså ett intressant fall av samexistensen av molekylära och metalliska strukturer (III § 8). Ga2-molekyler hålls kvar i flytande gallium, vars densitet (6,1 g / cm) är högre än densiteten hos en fast metall (analogi med vatten och vismut). En ökning av trycket åtföljs av en minskning av smältpunkten för gallium. Vid höga tryck, förutom den vanliga modifieringen (Gal), har förekomsten av två andra former fastställts. Trippelpunkter (med en flytande fas) ligger för Gal - Gall vid 12 tusen vid och 3 ° С, och för Gall - Galll ​​- vid 30 tusen vid och 45 ° С.
8. Gallium är mycket benäget för hypotermi, och det var möjligt att hålla det i flytande tillstånd ner till -40 ° C. Flera upprepningar av snabb kristallisation av en underkyld smälta kan tjäna som en metod för att rena gallium. I ett mycket rent tillstånd (99,999%) erhölls det genom elektrolytisk raffinering, såväl som genom reduktion av grundligt renad GaCl3 med väte. Den höga kokpunkten och ganska jämna expansionen vid upphettning gör gallium till ett värdefullt fyllnadsmaterial för högtemperaturtermometrar. Trots dess yttre likhet med kvicksilver är den ömsesidiga lösligheten för båda metallerna relativt låg (i intervallet från 10 till 95 ° C varierar den från 2,4 till 6,1 atomprocent för Ga i Hg och från 1,3 till 3,8 atomprocent för Hg i Ga) . Till skillnad från kvicksilver löser inte flytande gallium upp alkalimetaller och väter väl många icke-metalliska ytor. Framför allt gäller detta glas, på vilket gallium kan användas för att få speglar som starkt reflekterar ljus (det finns dock en indikation på att mycket rent gallium, utan indiumföroreningar, inte väter glas). Avsättningen av gallium på en plastbas används ibland för att snabbt få radiokretsar. En legering av 88% Ga och 12% Sn smälter vid 15°C, och flera andra galliumhaltiga legeringar (t.ex. 61,5% Bi, 37,2-Sn och 1,3-Ga) har föreslagits för tandfyllningar. De ändrar inte sin volym med temperaturen och håller bra. Gallium kan även användas som ventiltätningsmedel inom vakuumteknik. Man bör dock komma ihåg att den vid höga temperaturer är aggressiv mot glas och många metaller.
9. I samband med möjligheten att utöka produktionen av gallium blir problemet med assimilering (d.v.s. utvecklingen av praktiken) av detta element och dess föreningar brådskande, vilket kräver forskningsarbete för att hitta områden för deras rationella användning. Det finns översiktsartiklar och monografier om gallium.
10. Kompressibiliteten för indium är något högre än för aluminium (vid 10 tusen atm är volymen 0,84 av den ursprungliga). Med ökande tryck minskar dess elektriska motstånd (till 0,5 från initial vid 70 tusen atm) och smältpunkten ökar (upp till 400 ° C vid 65 tusen vid). Stavarna av metalliskt indium knastrar som tenn när de böjs. På pappret lämnar han ett mörkt streck. En viktig tillämpning av indium är förknippad med tillverkning av germaniumlikriktare för växelström (X § 6 tillägg 15). På grund av sin låga smältpunkt kan den fungera som smörjmedel i lager.
11. Införandet av en liten mängd indium i kopparlegeringar ökar avsevärt deras motståndskraft mot inverkan av havsvatten, och tillsatsen av indium till silver förbättrar dess glans och förhindrar nedsmutsning i luften. Indiumtillsatser ger ökad styrka till dentalfyllningslegeringar. Den elektrolytiska beläggningen av andra metaller med indium skyddar dem väl från korrosion. En legering av indium med tenn (1:1 i vikt) löder glas till glas eller metallbrunn, och en legering på 24 % In och 76 % Ga smälter vid 16 ° C. En legering på 18,1 % i smältning vid 47 ° C med 41,0 - Bi, 22,1 - Pb, 10,6 - Sn och 8,2 - Cd finner medicinsk användning för komplexa benfrakturer (istället för gips). Det finns en monografi om indiums kemi
12. Kompressibiliteten för tallium är ungefär densamma som för indium, men två allotropa modifieringar (hexagonala och kubiska) är kända för det, vars övergångspunkt ligger vid 235 ° C. En annan uppstår under högt tryck. Trippelpunkten för alla tre former ligger vid 37 tusen vid och 110 ° C. Detta tryck motsvarar en abrupt minskning på cirka 1,5 gånger i metallens elektriska motstånd (vilket vid 70 tusen atm är cirka 0,3 av det vanliga). Under ett tryck på 90 tusen atm smälter den tredje formen av tallium vid 650 ° C.
13. Tallium används främst för tillverkning av legeringar med tenn och bly, som har hög syrabeständighet. I synnerhet tål en legering med en sammansättning av 70% Pb, 20% Sn och 10% T1 verkan av blandningar av svavelsyra, saltsyra och salpetersyra. Det finns en monografi om tallium.
14. I förhållande till vatten är gallium och kompakt indium stabila, och tallium i närvaro av luft förstörs långsamt av det från ytan. Gallium reagerar med salpetersyra endast långsamt, och tallium mycket kraftigt. Tvärtom löser svavelsyra, och särskilt saltsyra, lätt Ga och In, medan T1 interagerar med dem mycket långsammare (på grund av bildandet av svårlösliga salter på ytan av en skyddande film). Lösningar av starka alkalier löser lätt upp gallium, verkar bara långsamt på indium och reagerar inte med tallium. Gallium löses också märkbart i NH4OH. Flyktiga föreningar av alla tre grundämnen färgar en färglös låga i karakteristiska färger: Ga - i mörklila nästan omärklig för ögat (L. = 4171 A), In - i mörkblå (L, = 4511 A), T1 - i smaragdgrön (A, = = 5351 A).
15. Gallium och indium verkar inte vara giftiga. Thallium är tvärtom mycket giftigt, och till sin natur liknar det Pb och As. Det påverkar nervsystemet, matsmältningskanalen och njurarna. Symtom på akut förgiftning uppträder inte omedelbart, utan efter 12-20 timmar. Vid långsamt utvecklande kronisk förgiftning (även genom huden) uppstår framför allt upphetsning och sömnstörningar. Inom medicinen används talliumpreparat för att ta bort hår (med lav, etc.). Talliumsalter har använts i lysande kompositioner som ämnen som ökar glödens varaktighet. De visade sig också vara bra mot möss och råttor.
16. I serien av spänningar ligger gallium mellan Zn och Fe, och indium och tallium - mellan Fe och Sn. Ga och In övergångar enligt schemat E + 3 + Ze = E motsvarar normala potentialer: -0,56 och -0,33 V (i ett surt medium) eller -1,2 och -1,0 V (i ett alkaliskt medium). Tallium omvandlas av syror till ett monovalent tillstånd (normal potential -0,34 V). Övergången T1 + 3 + 2e = T1 + kännetecknas av en normal potential på + 1,28 V i ett surt medium eller +0,02 V - i ett alkaliskt.
17. Värmen för bildning av oxider E203 av gallium och dess analoger minskar i serierna 260 (Ga), 221 (In) och 93 kcal / mol (T1). Vid upphettning i luft oxideras gallium praktiskt taget endast till GaO. Därför erhålls Ga203 vanligtvis genom dehydrering av Ga (OH) h. Vid upphettning i luft bildas indium In203 och tallium, en blandning av T1203 och T120, med ju högre halt av den högre oxiden, desto lägre temperatur. Tallium kan oxideras fullständigt upp till Т1203 genom inverkan av ozon.
18. Lösligheten av E203-oxider i syror ökar i Ga - In - Tl-serien. I samma serie minskar elementets bindningsstyrka med syre: Ga203 smälter vid 1795 ° C utan sönderdelning, In203 omvandlas till In304 endast över 850 ° C, och finkrossad T1203 börjar dela av syre redan vid cirka 90 ° C. Det krävs dock mycket högre temperaturer för att helt omvandla T1203 till T120. Under övertrycket av syre smälter In203 vid 1910 ° C och T1203 vid 716 ° C.
19. Hydratiseringsvärmen för oxider enligt schemat E203 + ZN20 = 2E (OH) 3 är +22 kcal (Ga), +1 (In) och -45 (T1). I enlighet med detta ökar lättheten att eliminera vatten genom hydroxider från Ga till T1: om Ga (OH) 3 är helt uttorkad först vid kalcinering, omvandlas T1 (OH) 3 till T1203 även när den står under vätskan från vilken den separerades.
20. Vid neutralisering av sura lösningar av galliumsalter fälls dess hydroxid ut ungefär i intervallet pH = 3-4. Nyfällt Ga (OH) 3 är lättlösligt i starka ammoniaklösningar, men när det åldras minskar lösligheten mer och mer. Dess isoelektriska punkt ligger vid pH = 6,8 och PR = 2 10 ~ 37. För ln (OH) 3 hittades PR = 1 10-31 och för T1 (OH) 3- 1 10 ~ 45.
21. För de andra och tredje dissociationskonstanterna för Ga (OH) 3 efter sura och basiska typer, bestämdes följande värden:

H3Ga03 / C2 = 5-10_I K3 = 2-10-12
Ga (OH) 3 K2 “2. S-P/Sz = 4 -10 12
Galliumhydroxid är således ett fall av en elektrolyt mycket nära idealisk amfotericitet.

1. Skillnaden i sura egenskaper hos galliumhydroxider och dess analoger manifesteras tydligt när de interagerar med lösningar av starka alkalier (NaOH, KOH). Galliumhydroxid löser sig lätt och bildar gallater av typ M, som är stabila i både lösning och fast tillstånd. När de värms upp förlorar de lätt vatten (salt Na - vid 120, salt K - vid 137 ° C) och passerar in i motsvarande vattenfria salter av MGa02-typ. För gallater av tvåvärda metaller (Ca, Sr) erhållna från lösningar är en annan typ karakteristisk - M3 2H20, som också är nästan olösliga. De är helt hydrolyserade av vatten.
   Talliumhydroxid peptiseras lätt av starka alkalier (med bildning av en negativ sol), men den är olöslig i dem och ger inte tallater. Genom torr metod (fusion av oxider med motsvarande karbonater) erhölls derivat av MEO2-typ för alla tre grundämnen i galliumundergruppen. Men i fallet med tallium visade det sig vara blandningar av oxider.
   1. De effektiva radierna för Ga3+-, In3*- och T13*-joner är 0,62, 0,92 respektive 1,05 A. I ett vattenhaltigt medium är de uppenbarligen direkt omgivna av sex vattenmolekyler. Sådana hydratiserade joner är något dissocierade enligt schemat E (OH2) och G * E (OH2) 5 OH + H, och deras dissociationskonstanter uppskattas till 3 * 10-3 ° (Ga) och 2 10-4 (In) .
   2. Halidsalterna Ga3+, In3* och T13*' liknar i allmänhet motsvarande A13*-salter. Förutom fluorider är de relativt lågsmältande och lättlösliga inte bara i vatten utan även i ett antal organiska lösningsmedel. Av dessa är endast gula målade Gal3

   I naturen kommer det inte att vara möjligt att hitta stora fyndigheter, eftersom han helt enkelt inte bildar dem. I de flesta fall kan den finnas i malmmineraler eller germanit, där det är möjligt att hitta från 0,5 till 0,7 % av denna metall. Det är också värt att nämna att gallium kan erhållas vid bearbetning av nefelin, bauxit, polymetallisk malm eller kol. Först erhålls en metall, som genomgår bearbetning: tvättning med vatten, filtrering och uppvärmning. Och för att få hög kvalitet på denna metall används speciella kemiska reaktioner. En stor nivå av galliumproduktion kan observeras i afrikanska länder, nämligen i sydost, Ryssland och andra regioner.

   När det gäller egenskaperna hos denna metall är dess färg silver, och vid låga temperaturförhållanden kan den förbli i fast tillstånd, men det kommer inte att vara svårt för den att smälta om temperaturen till och med något överstiger rumstemperaturen. Eftersom denna metall är nära aluminium i sina egenskaper, transporteras den i speciella förpackningar.

   Användningen av gallium

   Gallium har använts relativt nyligen vid tillverkning av lågsmältande legeringar. Men idag kan den hittas inom mikroelektronik, där den används med halvledare. Dessutom är detta material bra som smörjmedel. Om gallium används tillsammans eller scandium, kan metalllim av utmärkt kvalitet erhållas. Dessutom kan galliummetall i sig användas som fyllmedel i kvartstermometrar, eftersom den har en högre kokpunkt än kvicksilver.

   Dessutom är det känt att gallium används vid tillverkning av elektriska lampor, skapandet av signalsystem för och säkringar. Denna metall kan också hittas i optiska enheter, i synnerhet för att förbättra deras reflekterande egenskaper. Gallium används också i läkemedel eller radiofarmaka.

   Men samtidigt är denna metall en av de dyraste, och det är mycket viktigt att etablera sin högkvalitativa utvinning vid produktion av aluminium och bearbetning av kol för bränsle, eftersom det unika naturliga galliumet används allmänt idag på grund av till dess unika egenskaper.

   Grundämnet har ännu inte syntetiserats, även om nanoteknik ger hopp till forskare som arbetar med gallium.

   Det kemiska grundämnet gallium förekommer praktiskt taget inte i naturen i fri form. Det finns i blandningar av mineraler, från vilka det är ganska svårt att separera det. Galium anses vara ett sällsynt ämne, några av dess egenskaper har inte studerats fullt ut. Ändå används det inom medicin och elektronik. Vad är detta element? Vilka egenskaper har den?

   Galium - metall eller icke-metall?

   Elementet tillhör den trettonde gruppen av den fjärde perioden. Den är uppkallad efter den historiska regionen Gallien, som Frankrike var en del av, födelseplatsen för upptäckaren av elementet. Symbolen Ga används för dess beteckning.

   Galium tillhör gruppen lättmetaller tillsammans med aluminium, indium, germanium, tenn, antimon och andra grundämnen. Som en enkel substans är den ömtålig och mjuk, har en silvervit färg med en lätt blåaktig nyans.

   Upptäcktshistoria

   Mendeleev "förutspådde" Galium och lämnade en plats för honom i den tredje gruppen av det periodiska systemet (enligt det föråldrade systemet). Han namngav grovt dess atommassa och förutspådde till och med att grundämnet skulle upptäckas spektroskopiskt.

   Inom några år upptäcktes metallen av fransmannen Paul Émile Lecoq. I augusti 1875 studerade en vetenskapsman spektrumet från en fyndighet i Pyrenéerna och lade märke till nya lila linjer. Grundämnet fick namnet gallium. Innehållet i mineralet var extremt litet och Lecoq lyckades isolera endast 0,1 gram. Upptäckten av metall blev en av bekräftelserna på riktigheten av Mendeleevs förutsägelse.

   

   Fysikaliska egenskaper

   Galiummetall är mycket seg och smältbar. Vid låga temperaturer förblir den i fast tillstånd. För att förvandla det till en vätska räcker det med en temperatur på 29,76 grader Celsius eller 302,93 enligt Calvin. Du kan smälta den genom att hålla den i handen eller doppa den i en het vätska. För höga temperaturer gör den mycket aggressiv: vid 500 grader Celsius och uppåt kan den fräta på andra metaller.

   Galliums kristallgitter bildas av diatomiska molekyler. De är mycket stabila, men svagt släkt med varandra. Det krävs en mycket liten mängd energi för att bryta deras bindning, så galliumet blir lätt flytande. När det gäller smältbarhet är den fem gånger högre än indium.

   I flytande tillstånd är metallen tätare och tyngre än i fast substans. Dessutom leder den ström bättre. Under normala förhållanden är dess densitet 5,91 g / cm³. Metallen kokar vid -2230 grader Celsius. När den stelnar expanderar den med cirka 3,2 %.

   

   Kemiska egenskaper

   I många kemiska egenskaper liknar gallium aluminium, men det är mindre aktivt och reaktionerna med det är långsammare. Det reagerar inte med luft och bildar omedelbart en oxidfilm som förhindrar oxidation. Det reagerar inte på väte, bor, kisel, kväve och kol.

   Metall interagerar bra med nästan alla halogener. Reagerar med jod endast vid upphettning, reagerar med klor och brom även vid rumstemperatur. I varmt vatten börjar det tränga undan väte, bildar salter med mineralsyror och frigör även väte.

   Med andra metaller kan gallium skapa amalgamer. Om flytande gallium tappas på ett fast stycke aluminium kommer det att börja tränga in i det. Genom att invadera kristallgittret av aluminium kommer det flytande ämnet att göra det sprött. Inom några dagar kan en solid metallstång smulas sönder med händerna, utan större ansträngning.

   Ansökan

   Inom medicinen används metallen gallium för att bekämpa tumörer och hyperkalcemi, den är också lämplig för radioisotopdiagnos av skelettcancer. Preparat som innehåller ämnet kan dock orsaka biverkningar som illamående och kräkningar.

   Metallen gallium används även i ultrafrekvent elektronik. Det används för tillverkning av halvledare och lysdioder, som ett piezoelektriskt material. Från en legering av gallium med skandium eller nickel erhålls metalllim. Legerad med plutonium spelar den rollen som stabilisator och används i kärnvapenbomber.

   Glasögon med denna metall har ett högt brytningsindex för strålar, och dess oxid Ga 2 O 3 tillåter glaset att överföra infraröda strålar. Rent gallium kan användas för att göra enkla speglar då det reflekterar ljuset bra.

   

   Distribution och fyndigheter av galia

   Var kan jag få tag i galium? Metall kan enkelt beställas online. Dess kostnad varierar från $ 115 till $ 360 per kilogram. Metallen anses vara sällsynt, den är mycket spridd i jordskorpan och bildar praktiskt taget inga egna mineraler. Sedan 1956 har alla tre hittats.

   Ofta finns gallium i zink, järn, dess föroreningar finns i kol, beryl, granat, magnetit, turmalin, fältspat, klorit och andra mineraler. I genomsnitt är dess innehåll i naturen cirka 19 g / t.

   

   Mest av allt finns gallium i ämnen som är nära det i sammansättningen. På grund av detta är det svårt och dyrt att utvinna från dem. Metallens eget mineral kallas gallit med formeln CuGaS 2. Den innehåller även koppar och svavel.

   Inflytande på en person

   Lite är känt om metallens biologiska roll och dess effekt på människokroppen. I det periodiska systemet står det bredvid de grundämnen som är livsnödvändiga för oss (aluminium, järn, zink, krom). Det finns en åsikt att gallium som ett ultramikroelement är en del av blodet, vilket påskyndar dess flöde och förhindrar bildandet av blodproppar.

   På ett eller annat sätt finns en liten mängd av ämnet i människokroppen (10 -6 - 10 -5%). Galium kommer in i det tillsammans med vatten och jordbruksmat. Det hålls kvar i benvävnad och lever.

   Galiummetall anses vara lågtoxisk eller villkorligt giftig. Vid kontakt med huden finns små partiklar kvar på huden. Det ser ut som en grå, smutsig fläck som lätt kan tas bort med vatten. Ämnet lämnar inga brännskador, men i vissa fall kan det orsaka dermatit. Det är känt att en hög halt av halium i kroppen orsakar störningar i levern, njurarna och nervsystemet, men detta kräver en mycket stor mängd metall.