Энергия ионизации галлия. Для всех и обо всем. Распространённость и месторождения галия

История

Существование галлия было научно предсказано Д. И. Менделеевым . При создании периодической системы химических элементов в 1869 г. он, основываясь на открытом им Периодическом законе , оставил вакантные места в третьей группе для неизвестных элементов - аналогов алюминия и кремния (экаалюминий и экасилиций) . Менделеев, основываясь на свойствах соседних, хорошо изученных элементов, достаточно точно описал не только важнейшие физические и химические свойства , но и метод открытия - спектроскопию . В частности, в статье, датированной 11 декабря (29 ноября по старому стилю) 1870 года , опубликованной в «Журнале Русского химического общества » Менделеев указал, что атомный вес экаалюминия близок к 68, удельный вес около 6 г/см 3 . В металлическом состоянии металл будет легкоплавок.

Вскоре галлий был открыт, выделен в виде простого вещества и изучен французским химиком Полем Эмилем Лекоком де Буабодраном . 20 сентября 1875 года . На заседании Парижской академии наук было зачитано письмо Лекока де Буабодрана об открытии нового элемента и изучении его свойств. В письме сообщалось, что 27 августа 1875 года между 3 и 4 часами вечера он обнаружил признаки нового простого тела в образце цинковой обманки , привезенном из рудника Пьерфитт в долине Аржелес (Пиренеи). Так, исследуя спектр образца, Лекок де Буабодран выявил две новые фиолетовые линии, свидетельствующие о присутствии в минерале неизвестного элемента. В этом же письме он предложил назвать новый элемент Gallium . Выделение элемента было сопряжено с немалыми трудностями, поскольку содержание нового элемента в руде было меньше 0,2 %. 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.

Бурный восторг вызвало сообщение о названии элемента в честь Франции. Менделеев, узнав об открытии из опубликованного доклада, обнаружил, что описание нового элемента почти в точности совпадает с описанием предсказанного им ранее экаалюминия. Об этом он отправил письмо Лекоку де Буабодрану, указав, что плотность нового металла определена неверно и должна быть 5,9-6,0, а не 4,7 г/см 3 . Тщательная проверка показала правоту Менделеева, а сам Лекок де Буабодран писал по этому поводу:

Я думаю…, нет необходимости указывать на исключительное значение, которое имеет плотность нового элемента в отношении подтверждения теоретических взглядов Менделеева

Открытие галлия и последовавшие вскоре открытия германия и скандия укрепило позиции Периодического закона, ярко продемонстрировав 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

Среднее содержание галлия в земной коре - 19 г/т. Галлий - типичный рассеянный элемент, обладающий двойной геохимической природой. Ввиду близости его кристаллохимических свойств с главными породообразующими элементами (Al, Fe и др.) и широкой возможности изоморфизма с ними галлий не образует больших скоплений, несмотря на значительную величину кларка . Выделяются следующие минералы с повышенным содержанием галлия: сфалерит (0-0,1 %), магнетит (0-0,003 %), касситерит (0-0,005 %), гранат (0-0,003 %), берилл (0-0,003 %), турмалин (0-0,01 %), сподумен (0,001-0,07 %), флогопит (0,001-0,005 %), биотит (0-0,1 %), мусковит (0-0,01 %), серицит (0-0,005 %), лепидолит (0,001-0,03 %), хлорит (0-0,001 %), полевые шпаты (0-0,01 %), нефелин (0-0,1 %), гекманит (0,01-0,07 %), натролит (0-0,1 %). Концентрация галлия в морской воде 3⋅10 −5 мг/л .

Месторождения

Месторождения галлия известны в Юго-Западной Африке, России, странах СНГ .

Получение

Для получения металлического галлия чаще используют редкий минерал галлит CuGaS 2 (смешанный сульфид меди и галлия). Его следы постоянно встречаются со сфалеритом , халькопиритом и германитом . Значительно бо́льшие его количества (до 1,5 %) были обнаружены в золе некоторых каменных углей. Однако основным источником получения галлия служат растворы глинозёмного производства при переработке боксита (обычно содержащие незначительные его примеси (до 0,1 %)) и нефелина . Галлий также можно получить с помощью переработки полиметаллических руд, угля. Извлекается он электролизом щёлочных жидкостей, являющихся промежуточным продуктом переработки природных бокситов на технический глинозём. 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 . 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. В очень чистом виде (99,999 %) он был получен путём электролитического рафинирования, а также восстановлением водородом тщательно очищенного GaCl 3 .

Физические свойства

Помимо них, известны 29 искусственных радиоактивных изотопов галлия с массовыми числами от 56 Ga до 86 Ga и по крайней мере 3 изомерных состояний ядер . Наиболее долгоживущие радиоактивные изотопы галлия - это 67 Ga (период полураспада 3,26 суток) и 72 Ga (период полураспада 14,1 часов).

Химические свойства

Химические свойства галлия близки к свойствам алюминия , но реакции металлического галлия, как правило, идут гораздо медленнее из-за меньшей химической активности. Оксидная плёнка, образующаяся на поверхности металла на воздухе, предохраняет галлий от дальнейшего окисления.

Галлий медленно реагирует с горячей водой, вытесняя из неё водород и образуя гидроксид галлия(III) :

2 G a + 6 H 2 O → 2 G a (O H) 3 + 3 H 2 {\displaystyle {\mathsf {2Ga+6H_{2}O\rightarrow 2Ga(OH)_{3}+3H_{2}\uparrow }}}

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

2 G a + 4 H 2 O → t o 2 G a O O H + 3 H 2 {\displaystyle {\mathsf {2Ga+4H_{2}O{\xrightarrow {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\rightarrow 2GaCl_{3}+3H_{2}\uparrow }}} 2 G a + G a I 3 → o t 3 G a I {\displaystyle {\mathsf {2Ga+GaI_{3}{\xrightarrow {^{o}t}}3GaI}}}

Галлий не взаимодействует с водородом , углеродом , азотом , кремнием и бором .

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 V 3 Ga имеет довольно высокую температуру перехода в сверхпроводящее состояние 16,8 K .

Галлий образует гидридогаллаты:

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}\rightarrow Li+3LiCl}}} [ G a H 4 ] − + 4 H 2 O → G a (O H) 3 + O H − + 4 H 2 {\displaystyle {\mathsf {^{-}+4H_{2}O\rightarrow Ga(OH)_{3}+OH^{-}+4H_{2}\uparrow }}}

Галлий имеет ряд сплавов, жидких при комнатной температуре (так называемых галлам ) , и один из его сплавов имеет температуру плавления −19°C (галинстан , эвтектика In-Ga-Sn). Галламы применяются для замены токсичной ртути в качестве жидких затворов вакуумных аппаратов и диффузионных растворов, в качестве смазок при соединении кварцевых, стеклянных и керамических деталей. 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 продемонстрировано и детально изучено П. А. Ребиндером и Е. Д. Щукиным при контакте алюминия с галлием или его эвтектическими сплавами (жидкометаллическое охрупчивание). Кроме того, смачивание алюминия пленкой жидкого галлия вызывает его стремительное окисление, подобно тому, как это происходит с алюминием, амальгамированным ртутью. Галлий растворяет при температуре плавления около 1 % алюминия, который достигает внешней поверхности плёнки, где мгновенно окисляется воздухом. Оксидная плёнка на жидкой поверхности неустойчива и не защищает от дальнейшего окисления. Вследствие этого жидкий галлиевый сплав в качестве термоинтерфейса между тепловыделяющим компонентом (например, центральным процессором компьютера) и алюминиевым радиатором не используют.

Галлий и его эвтектический сплав с индием используется как теплоноситель в контурах реакторов .

Галлий может использоваться как смазочный материал и как покрытие зеркал специального назначения. На основе галлия и никеля , галлия и скандия созданы важные в практическом плане металлические клеи .

Металлическим галлием также заполняют кварцевые термометры (вместо ) для измерения высоких температур. Это связано с тем, что галлий имеет значительно более высокую температуру кипения по сравнению со ртутью .

Оксид галлия входит в состав ряда важных лазерных материалов группы гранатов - ГСГГ (гадолиний-скандий-галлиевый гранат), ИСГГ (иттрий-скандий-галлиевый гранат) и др.

Кристаллы нитрида галлия (слева ) и арсенида галлия

Арсенид галлия GaAs активно используется в сверхвысокочастотной электронике , полупроводниковых лазерах.

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

Галлий - 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 - мягкий пластичный металл серебристо-белого (по другим данным светло-серого) цвета с синеватым оттенком.
Среднее содержание галлия в земной коре 19 г/т. Галлий типичный рассеянный элемент, обладающий двойной геохимической природой. Ввиду близости его кристаллохимических свойств с главными породообразующими элементами (Al, Fe и др.) и широкой возможности изоморфизма с ними, галлий не образует больших скоплений, несмотря на значительную величину кларка.

Выделяются следующие минералы с повышенным содержанием галлия: сфалерит (0 - 0,1 %), магнетит (0 - 0,003 %), касситерит (0 - 0,005 %), гранат (0 - 0,003 %), берилл (0 - 0,003 %), турмалин (0 - 0,01 %), сподумен (0,001 - 0,07 %), флогопит (0,001 - 0,005 %), биотит (0 - 0,1 %), мусковит (0 - 0,01 %), серицит (0 - 0,005 %), лепидолит (0,001 - 0,03 %), хлорит (0 - 0,001 %), полевые шпаты (0 - 0,01 %), нефелин (0 - 0,1 %), гекманит (0,01 - 0,07 %), натролит (0 - 0,1 %). Концентрация галлия в морской воде 3·10-5 мг/л.
Месторождения галлия известны в Юго-Западной Африке, России, странах СНГ. Мировые ресурсы галлия в боксите оценены в более чем один миллиард килограммов. Кроме того, существенное количество галлия имеется в мировых запасах цинковых руд. Однако, только маленькая часть галлия в бокситах и цинковой руде экономически восстанавливаема.
Галлия может быть недостаточно, но назвать его редким нельзя. Он более распространен, чем многие известные металлы, такие как сурьма, молибден, серебро и вольфрам, но, в отличие от этих элементов, галлий редко, если вообще когда-либо, находится в экономических концентрациях в естественных полезных ископаемых. Два основных источника коммерческого галлия - его извлечение из бокситов при производстве глинозема и извлечение из остатков, являющихся результатом выщелачивания окиси цинка до электролиза.
Галлий не существует в земной коре в элементной форме, а встречается чаще всего в виде соли галлия (III). Производстводится прежде всего из бокситов. В 2010 году, при мировой производственной мощности 256-261 тонн, таким образом было произведено 78 тонн металла. Производство галлия в мире в целом в 2010 году, согласно оценкам, было приблизительно 201-212 тонн. Данное обстоятельство наглядно демонстрирует высокую степень вторичного восстановления металла, а также излишние мощности по производству/обработке в настоящее время. Потребление галлия в 2010 году было на уровне 280 тонн, что свидетельствовало о наличии дефицита на мировом рынке и частичном потреблении металла из запасов. В 2011 году потребление галлия снизилось до 218 тонн, в результате чего наоборот возник излишек металла на рынке (объем производства первичного галлия в мире составил 292 тонны).
Вторичное восстановление (переработка) галлия. Дефицит галлия получаемого из руды привел к существенным объемам его вторичного производства. В Японии приблизительно 90 тонн металлического галлия в 2010 году было произведено путем переработки из отходов, а еще 60 тонн галлия - потенциально содержащегося в пределах эпитаксии жидкой фазы производственная "петля", не сразу доступных для потребления или в форме годной к употреблению в других целях.
Вторичное восстановление галлия при производственных процессах полупроводников - также важный источник. Из-за многошаговой природы изготовления полупроводника и требования чрезвычайно высококачественного контроля на каждом этапе, требуется намного больший объем галлия, чем фактически содержится потом в полупроводниках. Министерство энергетики США сообщило, что в 2010 году мировые мощности вторичной переработки галлия составляли приблизительно 42% (частично результат вышеупомянутого производственного процесса изготовления полупроводников) всей мировой производственной мощности галлия.
Китай, как полагают, является ведущим производителем первичного галлия, далее следуют Германия, Казахстан, Украина, Южная Корея и Россия. Галлий также производится в Венгрии и Японии. Мировое производство рафинированного галлия, включая извлечение из отходов, оценивается в 378 тонн (2011 год).
Китай, Япония, Великобритания и США в 2010 году были основными производителями рафинированного галлия. Галлий производится при переработке отходов в Канаде, Германии, Япония, Великобритания и США. Нео Материал оценил, что 50% галлия, который потребили во всем мире в 2010 году прибыл из переработанных источников.
Основными производителями галлия в Китае являются Aluminium Corporation China Ltd, Пекин Цзя Semiconductor Material Co. Ltd, китайский кристалл Technologies Ltd, восток галлий Хоуп Миэнчи Industry Co. и Чжухай Фанюань. Общие производственные мощности Китая по производству галия в 2010 году оценивались в 141 тонну.
Большая часть мощностей по производству первичного галлия теперь расположена в Китае, Германии и Казахстане, после сокращения числа компаний, очищающих галлий в России и закрытия завода во Франции. Китай увеличил мощности производства первичного галлия с 141 тонн/год в 2010 году до 280 тонн/год к концу 2011 года.
Существенная доля галлия происходит от вторичного производства, особенно от переработки GaAs и отходов, являющихся результатом эпитаксии жидкой фазы. Главные центры вторичного производства - Япония и Северная Америка. В тоже время, нет достаточных данных об эффективной переработке содержащих галий отходов в Китае, несмотря на то, что страна становится одним из основных потребителей данного металла.
Галлий - основа электронной промышленности. Галлий является базой соединений, таких как Арсенид галлия (GaAs) и нитрид галлия (GaN), полупроводников, используемых в электронной промышленности. Он также используется при изготовлении ячеек памяти.
Оптикоэлектронные устройства, такие как LEDs, лазер диоды, фотодатчики и солнечные батареи, произведенные из GaAs, продолжают быть основной областью потребления галлия во всем мире. В ближайшем будущем, использование GaAs, как ожидают, увеличится, особенно на коммуникационных рынках. Рост применения средств сотовых коммуникаций и спутниковых навигационных приборов, как ожидается, приведет к увеличению спроса на галлий.
Галлий используется в виде GaN в лазерных диодах и светодиодах (LED). Новые GaN устройства используются для создания высокой плотности хранения данных (CD-проигрыватели и цифровые видеоплееры), высококачественной лазерной печати, средствах коммуникации и освещении. GaN транзисторы работают при высоких напряжениях и с более высокой плотностью энергии, чем GaAs устройства. Галлий используется в некоторых термометрах высокой температуры, а евтектический сплав галлия, индия и олова широко используется в таких термометрах, заменяя ртуть. Галлий также используется как компонент в легкоплавких сплавах и при создании блестящих зеркал. Соли галлия такие как галлиевая соль лимонной кислоты и нитрат галлия используются в медицине.
Мировой спрос на галлий в последние годы был самым сильным в оптикоэлектронной промышленности, особенно в светодиодах. Из-за лучших свойств, GaAs все больше используется вместо кремния в интегральных схемах многих защитных приложений. Рынок мобильных телефонов преимущественно был ответственным за рост потребления галлия за последние несколько лет.
Рынок галлия испытывал рост: в 2010 году спрос на металл был силен и в электронном и в оптикоэлектронном секторах. Увеличение потребления галлия было обусловлено растущим спросом на смартфоны и многополосные, многорежимные телефонные трубки, а также в результате увеличения использования LEDs в освещении и экранах дисплея. В Китае приблизительно половина идентифицированного потребления находитсятся в NdFeB магнитных материалах - образец, не повторенный в другом месте в мире, но у которого есть потенциал для роста в Японии.
Галлий может быть заменен при изготовлении полупроводников на индий, а в технологии производства тонкой пленки солнечной батареи - основанными на кремнии технологиями, некоторыми формами тонкой пленки селенид кадмия или медный индиевый селенид базировал фотогальванические клетки среди других. Развитие этих различных форм технологии производства солнечной батареи означает, что перспективы мирового рынка галлия остаются неясными. Преимущества галлия как компонента технологий производства солнечных батарей также не кажутся окончательно выигрышными по сравнению с конкурирующими материалами и составами.
Главное использование для галлия находится в производстве оптоэлектроники и полупроводников. Дальнейший спрос поскольку галлий прибывает из своего использования в качестве прозрачного анода в показах большой площади и освещении твердого состояния, транзисторы тонкой пленки, магниты неодимового железного бора и батареи, литиевые батареи и медно-индиевый селенид галлия фотогальванические клетки. В целом, использование галлия в некоторой электронике сдержано из-за его ограниченного количества. Металл заменяется как менее экономически важный, с полным мировым производством, составляющим только приблизительно одну десятую от производства из индия.

Потребление галлия в мире, тонн*

год	2008	2009	2010	2011	2012
Япония	122.3	111.3	116.0	114.0	110.0
США	28.7	24.9	33.5	35.3	35.0
Прочие страны	39.2	40.6	130.5	68.7	75.0
Всего	190.2	176.8	280.0	218.0	220.0

* Сводные данные

Цены на галлий (здесь и далее цены на галлий импортируемый в США, данные Геологической службы США) росли с 2004 по 2011 год, за исключением 2005, 2006 и 2009 года, что было обусловлено ростом рынка смартфонов, увеличенным использованием LEDs в освещении и спросе на оптикоэлектронные устройства (Blu-ray, DVD и т.д.). В период с 2003 по 2011 год цены на галлий на мировом рынке выросли более чем в 1,5 раза с примерно 411 долл./кг до 688 долл./кг. В 2012 году цены на галлий немного опустились - в среднем до 556 долл./кг, однако остались на очень высоком уровне.

Обладая обширными бокситными ресурсами, Индия имеет потенциал для того, чтобы увеличить производство глинозема ориентированными на экспорт заводами, что может способствовать росту поставок металла для внутреннего потребления и на мировой рынок. Спрос на галлий, вероятно, увеличится, в связи с ростом электронной промышленности в стране. Стратегическое значение имеет развитие местной технологии, а также сотрудничество с зарубежными странами для очистки и производства металла. Цинковые месторождения, как альтернативный источник, станут экономически целесообразными, когда легкодоступные источники галлия будут израсходованы.
По прогнозу, спрос на галлий будет расти в пределах 15% в год до 2015 года, и это увеличенное потребление будет питаться и от существующей избыточной мощности, особенно во вторичной очистке, и от новых основных мощностей, запланированных к вводу в Китае и, возможно, в Северной Америке. Неиспользованный запас вторичного материала накопится в Китае, в то время как переработка останется на низком уровне.

Галлий (лат. Gallium), Ga, химический элемент III группы периодической системы Д. И. Менделеева, порядковый номер 31, атомная масса 69,72; серебристо-белый мягкий металл. Состоит из двух стабильных изотопов с массовыми числами 69 (60,5%) и 71 (39,5%).

Существование Галлия ("экаалюминия") и основные его свойства были предсказаны в 1870 году Д. И. Менделеевым. Элемент был открыт спектральным анализом в пиренейской цинковой обманке и выделен в 1875 году французским химиком П. Э. Лекоком де Буабодраном; назван в честь Франции (лат. Gallia). Точное совпадение свойств Галлия с предсказанными было первым триумфом периодической системы.

Среднее содержание Галлия в земной коре относительно высокое, 1,5·10 -3 % по массе, что равно содержанию свинца и молибдена. Галлий - типичный рассеянный элемент. Единственный минерал Галлия - галлит CuGaS 2 очень редок. Геохимия Галлия тесно связана с геохимией алюминия, что обусловлено сходством их физико-химических свойств. Основная часть Галлия в литосфере заключена в минералах алюминия. Содержание Галлия в бокситах и нефелинах колеблется от 0,002 до 0,01%. Повышенные концентрации Галлия наблюдаются также в сфалеритах (0,01-0,02%), в каменных углях (вместе с германием), а также в некоторых железных рудах.

Физические свойства Галлия. Галлий имеет ромбическую (псевдотетрагональную) решетку с параметрами а = 4,5197Å, b = 7,6601Å, c = 4,5257Å. Плотность (г/см 3) твердого металла 5,904 (20°С), жидкого 6,095 (29,8°С), то есть при затвердевании объем Галлия увеличивается; t пл 29,8°C, t кип 2230°С. Отличительная особенность Галлия - большой интервал жидкого состояния (2200°С) и низкое давление пара при температурах до 1100-1200°С. Удельная теплоемкость твердого Галлия 376,7 дж/(кг·К), то есть 0,09 кал/(г·град) в интервале 0-24°С, жидкого соответственно 410 дж/(кг·К), то есть 0,098 кал/(г·град) в интервале 29-100°С. Удельное электрическое сопротивление (ом·см) твердого Галлия 53,4·10 -6 (0°С), жидкого 27,2·10 -6 (30°С). Вязкость (пуаз = 0,1 н·сек/м 2): 1,612 (98°С), 0,578 (1100°С), поверхностное натяжение 0,735 н/м (735 дин/см) (30 °С в атмосфере Н 2). Коэффициенты отражения для длин волн 4360Å и 5890Å соответственно равны 75,6% и 71,3%. Сечение захвата тепловых нейтронов 2,71 барна (2,7·10 -28 м 2).

Химические свойства Галлия. На воздухе при обычной температуре Галлий стоек. Выше 260° С в сухом кислороде наблюдается медленное окисление (пленка оксида защищает металл). В серной и соляной кислотах Галлий растворяется медленно, в плавиковой - быстро, в азотной кислоте на холоду Галлий устойчив. В горячих растворах щелочей Галлий медленно растворяется. Хлор и бром реагируют с Галлием на холоду, иод - при нагревании. Расплавленный Галлий при температурах выше 300° С взаимодействует со всеми конструкционными металлами и сплавами.

Наиболее устойчивы трехвалентные соединения Галлия, которые во многом близки по свойствам химическим соединениям алюминия. Кроме того, известны одно- и двухвалентные соединения. Высший оксид Gа 2 О 3 - вещество белого цвета, нерастворимое в воде. Соответствующий ему гидрооксид осаждается из растворов солей Галлия в виде белого студенистого осадка. Она имеет ярко выраженный амфотерный характер. При растворении в щелочах образуются галлаты (например, Na), при растворении в кислотах - соли Галлия: Gа 2 (SО 4) 3 , GaCl 3 и др. Кислотные свойства у гидрооксида Галлия выражены сильнее, чем у гидрооксида алюминия [интервал выделения Аl(ОН) 3 лежит в пределах рН = 10,6-4,1, a Ga(OH) 3 в пределах рН = 9,7-3,4].

В отличие от Al(ОН) 3 , гидрооксид Галлия растворяется не только в сильных щелочах, но и в растворах аммиака. При кипячении из аммиачного раствора вновь выпадает гидрооксид Галлия.

Из солей Галлия наибольшее значение имеют хлорид GaCl 3 (t пл 78°C, t кип 200°C) и сульфат Ga 2 (SO 4) 3 . Последний с сульфатами щелочных металлов и аммония образует двойные соли типа квасцов, например (NH 4)Ga(SO 4) 2 ·12H 2 O. Галлий образует малорастворимый в воде и разбавленных кислотах ферроцианид Ga 4 3 , что может быть использовано для его отделения от Аl и ряда других элементов.

Получение Галлия. Основной источник получения Галлия - алюминиевое производство. Галлий при переработке бокситов по способу Байера концентрируется в оборотных маточных растворах после выделения Аl(ОН) 3 . Из таких растворов Галлий выделяют электролизом на ртутном катоде. Из щелочного раствора, полученного после обработки амальгамы водой, осаждают Ga(OH) 3 , которую растворяют в щелочи и выделяют Галлий электролизом.

При содово-известковом способе переработки бокситовой или нефелиновой руды Галлий концентрируется в последних фракциях осадков, выделяемых в процессе карбонизации. Для дополнительного обогащения осадок гидрооксидов обрабатывают известковым молоком. При этом большая часть Al остается в осадке, а Галлий переходит в раствор, из которого пропусканием СО 2 выделяют галлиевый концентрат (6-8% Gа 2 О 3); последний растворяют в щелочи и выделяют Галлий электролитически.

Источником Галлия может служить также остаточный анодный сплав процесса рафинирования Al по методу трехслойного электролиза. В производстве цинка источниками Галлия являются возгоны (вельц-оксиды), образующиеся при переработке хвостов выщелачивания цинковых огарков.

Полученный электролизом щелочного раствора жидкий Галлий, промытый водой и кислотами (НСl, HNO 3), содержит 99,9-99,95% Ga. Более чистый металл получают плавкой в вакууме, зонной плавкой или вытягиванием монокристалла из расплава.

Применение Галлия. Наиболее перспективно применение Галлия в виде химических соединений типа GaAs, GaP, GaSb, обладающих полупроводниковыми свойствами. Они могут применяться в высокотемпературных выпрямителях и транзисторах, солнечных батареях и других приборах, где может быть использован фотоэффект в запирающем слое, а также в приемниках инфракрасного излучения. Галлий можно использовать для изготовления оптических зеркал, отличающихся высокой отражательной способностью. Сплав алюминия с Галлием предложен вместо ртути в качестве катода ламп ультрафиолетового излучения, применяемых в медицине. Жидкий Галлий и его сплавы предложено использовать для изготовления высокотемпературных термометров (600-1300°С) и манометров. Представляет интерес применение Галлия и его сплавов в качестве жидкого теплоносителя в энергетических ядерных реакторах (этому мешает активное взаимодействие Галлий при рабочих температурах с конструкционными материалами; эвтектический сплав Ga-Zn-Sn оказывает меньшее коррозионное действие, чем чистый Галлий).

Среднее содержание галлия в земной коре 19 г/т. Галлий типичный рассеянный элемент, обладающий двойной геохимической природой. Ввиду близости его кристаллохимических свойств с главными породообразующими элементами (Al, Fe и др.) и широкой возможности изоморфизма с ними, галлий не образует больших скоплений, несмотря на значительную величину кларка. Выделяются следующие минералы с повышенным содержанием галлия: сфалерит (0 — 0,1 %), магнетит (0 — 0,003 %), касситерит (0 — 0,005 %), гранат (0 — 0,003 %), берилл (0 — 0,003 %), турмалин (0 — 0,01 %), сподумен (0,001 — 0,07 %), флогопит (0,001 — 0,005 %), биотит (0 — 0,1 %), мусковит (0 — 0,01 %), серицит (0 — 0,005 %), лепидолит (0,001 — 0,03 %), хлорит (0 — 0,001 %), полевые шпаты (0 — 0,01 %), нефелин (0 — 0,1 %), гекманит (0,01 — 0,07 %), натролит (0 — 0,1 %). Концентрация галлия в морской воде 3·10−5 мг/л.

Месторождения

Месторождения галлия известны в Юго-Западной Африке, странах СНГ

Получение галлия

Для галлия известен редкий минерал галлит CuGaS2 (смешанный сульфид меди и галлия). Его следы постоянно встречаются со сфалеритом, халькопиритом и германитом. Значительно бо́льшие его количества (до 1,5 %) были обнаружены в золе некоторых каменных углей. Однако основным источником получения галлия служат растворы глинозёмного производства при переработке боксита (обычно содержащие незначительные его примеси (до 0,1 %)) и нефелина. Галлий также можно получить с помощью переработки полиметаллических руд, угля. Извлекается он электролизом щёлочных жидкостей, являющихся промежуточным продуктом переработки природных бокситов на технический глинозём. 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. 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. В очень чистом виде (99,999 %) он был получен путём электролитического рафинирования, а также восстановлением водородом тщательно очищенного GaCl3.

Физические свойства

Кристаллический галлий имеет несколько полиморфных модификаций, однако термодинамически устойчивой является только одна (I), имеющая орторомбическую (псевдотетрагональную) решётку с параметрами а = 4,5186 Å, b = 7,6570 Å, c = 4,5256 Å. Другие модификации галлия (β, γ, δ, ε) кристаллизуются из переохлаждённого диспергированного металла и являются нестабильными. При повышенном давлении наблюдались ещё две полиморфные структуры галлия II и III, имеющие, соответственно, кубическую и тетрагональную решётки.

Плотность галлия в твёрдом состоянии при температуре 20 °C равна 5,904 г/см³, жидкий галлий (tпл.=29,8 °C) имеет плотность 6,095 г/см³, то есть при затвердевании объём галлия увеличивается. Кипит галлий при 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.

Природный галлий состоит из двух изотопов 69Ga (61,2 %) и 71Ga (38,8 %). Поперечное сечение захвата тепловых нейтронов равно для них 2,1·10−28 м² и 5,1·10−28 м², соответственно.

Применение галлия

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 71Ga 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). Кроме того, смачивание алюминия пленкой жидкого галлия вызывает его стремительное окисление, подобно тому, как это происходит с алюминием, амальгамированным ртутью. Галлий растворяет при температуре плавления около 1 % алюминия, который достигает внешней поверхности плёнки, где мгновенно окисляется воздухом. Оксидная плёнка на жидкой поверхности неустойчива и не защищает от дальнейшего окисления. Вследствие этого жидкий галлиевый сплав в качестве термоинтерфейса между тепловыделяющим компонентом (например, центральным процессором компьютера) и алюминиевым радиатором не используют.

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

Биологическая роль и особенности обращения галлия

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.
Клиническая картина острого отравления: кратковременное возбуждение, затем заторможенность, нарушение координации движений, адинамия, арефлексия, замедление дыхания, нарушение его ритма. На этом фоне наблюдается паралич нижних конечностей, далее — кома, смерть. Ингаляционное воздействие галлий-содержащего аэрозоля в концентрации 50 мг/м³ вызывает у человека поражение почек, равно как и внутривенное введение 10-25 мг/кг солей галлия. Отмечается протеинурия, азотемия, нарушение клиренса мочевины.
Из-за низкой температуры плавления слитки галлия рекомендуется транспортировать в пакетах из полиэтилена, который плохо смачивается жидким галлием.

Галлий

ГА́ЛЛИЙ -я; м. [от лат. Gallia - Франция] Химический элемент (Ga), мягкий легкоплавкий металл серебристо-белого цвета (применяется в производстве полупроводников).

Га́ллий

(лат. Gallium), химический элемент III группы периодической системы. Название от Gallia - латинское название Франции. Серебристо-белый легкоплавкий (t пл 29,77ºC) металл; плотность (г/см 3) твердого металла 5,904, жидкого 6,095; t кип 2205ºC. На воздухе химически стоек. В природе рассеян, встречается вместе с Al. Применяют в основном (на 97%) в производстве полупроводниковых материалов (GaAs, GaSb, GaP, GaN).

ГАЛЛИЙ

ГА́ЛЛИЙ (лат. Gallium, от Gallia - латинского названия Франции), Ga (читается «галлий»), химический элемент с атомным номером 31, атомная масса 69,723.
Природный галлий состоит из двух изотопов 69 Ga (61,2% по массе) и 71 Ga (38,8%). Конфигурация внешнего электронного слоя 4s 2 p 1 . Степень окисления +3 , +1 (валентности I, III).
Расположен в группе IIIА периодической системы элементов, в 4-м периоде.
Радиус атома 0,1245 нм, радиус иона Ga 3+ 0,062 нм. Энергии последовательной ионизации 5,998, 20,514, 30,71, 64,2 и 89,8 эВ. Электроотрицательность по Полингу (см. ПОЛИНГ Лайнус) 1,6.
История открытия
Впервые существование этого элемента предсказано Д. И. Менделеевым (см. МЕНДЕЛЕЕВ Дмитрий Иванович) в 1871 на основании открытого им периодического закона. Он назвал его экаалюминий. В 1875 П. Э. Лекок де Буабодран (см. ЛЕКОК ДЕ БУАБОДРАН Поль Эмиль) выделил галлий из цинковых руд.
Де Буабодран определил плотность галлия - 4,7 г/см 3 , что не соответствовало предсказанному Д. И. Менделеевым значению 5,9 г/см 3 . Уточненное значение плотности галлия (5,904 г/см 3) совпало с предсказанием Менделеева.
Нахождение в природе
Содержание в земной коре 1,8·10 –3 % по массе. Галлий относится к рассеянным элементам. В природе встречается в виде очень редких минералов: зенгеита Ga(OH) 3 , галлита CuGaS 2 и других. Является спутником алюминия (см. АЛЮМИНИЙ) , цинка (см. ЦИНК (химический элемент)) , германия (см. ГЕРМАНИЙ) , железа (см. ЖЕЛЕЗО) ; содержится в сфалеритах (см. СФАЛЕРИТ) , нефелине (см. НЕФЕЛИН) , натролите, бокситах, (см. БОКСИТЫ) германите, в углях и железных рудах некоторых месторождений.
Получение
Основной источник галлия - алюминатные растворы, получаемые при переработке глинозема. После удаления большей части Al и многократного концентрирования образуется щелочной раствор, содержащий Ga и Al. Галлий выделяют электролизом этого раствора.
Физические и химические свойства
Галлий - легкоплавкий светло-серый металл с синеватым оттенком. Расплав Ga 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.
Кристаллическая решетка устойчивой a-модификации образована двухатомными молекулами Ga 2 , связанными между собой ван-дер-ваальсовыми силами (см. МЕЖМОЛЕКУЛЯРНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ) , длина связи 0,244 нм.
Стандартный электродный потенциал пары Ga 3+ /Ga равен –0,53В, Ga находится в электрохимическом ряду до водорода (см. ВОДОРОД) .
По химическим свойствам галлий сходен с алюминием.
На воздухе Ga покрывается оксидной пленкой, предохраняющей от дальнейшего окисления. С мышьяком (см. МЫШЬЯК) , фосфором (см. ФОСФОР) , сурьмой (см. СУРЬМА) образует арсенид, фосфид и антимонид галлия, с серой (см. СЕРА) , селеном (см. СЕЛЕН) , теллуром (см. ТЕЛЛУР) - халькогениды. При нагревании Ga реагирует с кислородом (см. КИСЛОРОД) . С хлором (см. ХЛОР) и бромом (см. БРОМ) галлий взаимодействует при комнатной температуре, с иодом (см. ИОД) - при нагревании. Галогениды галлия, образуют димеры Ge 2 X 6 .
Галлий образует полимерные гидриды:
4LiH + GaCl 3 = Li + 3LiCl.
Устойчивость ионов падает в ряду BH 4 – - AlH 4 – - GaH 4 – . Ион BH 4 – устойчив в водном растворе, AlH 4 – и GaH 4 – быстро гидролизуются:
GaH 4 – + 4H 2 O = Ga(OH) 3 + OH – + 4H 2
При нагревании под давлением Ga реагирует с водой:
2Ga + 4H 2 O = 2GaOOH + 3H 2
С минеральными кислотами Ga медленно реагирует с выделением водорода:
2Ga + 6HCl = 2GaCl 3 + 3H 2
Галлий растворяется в щелочах с образованием гидроксогаллатов:
2Ga + 6H 2 O + 2NaOH = 2Na + 3H 2
Оксид и гидроксид галлия проявляют амфотерные свойства, хотя основные свойства у них по сравнению с Al усилены:
Ga 2 O 3 + 6HCl = 2GaCl 2 ,
Ga 2 O 3 + 2NaOH + 3H 2 O = 2Na
Ga 2 O 3 + Na 2 CO 3 = 2NaGaO 2 + CO 2
При подщелачивании раствора какой-либо соли галлия выделяется гидроксид галлия переменного состава Ge 2 O 3 ·x H 2 O:
Ga(NO 3) 2 + 3NaOH = Ga(OH) 3 Ї + 3NaNO 3
При растворении Ga(OH) 3 и Ga 2 O 3 в кислотах образуются аквакомплексы 3+ , поэтому из водных растворов соли галлия выделяются в виде кристаллогидратов, например, хлорид галлия GaCl 3 ·6H 2 O, галлийкалиевые квасцы KGa(SO 4) 2 ·12H 2 O. Аквакомплексы галлия в растворах бесцветны.
Применение
Около 97% получаемого промышленностью галлия используется для получения соединений с полупроводниковыми свойствами, например, арсенида галлия GaAs. Металлический галлий применяют в радиоэлектронике для «холодной пайки» керамических и металлических деталей, для легирования Ge и Si, получения оптических зеркал. Ga может заменять Hg в выпрямителях электрического тока. Эвтектический сплав галлия с индием используют в радиационных контурах реакторов.
Особенности обращения
Галлий - малотоксичный элемент. Из-за низкой температуры плавления слитки Ga рекомендуется транспортировать в пакетах из полиэтилена, который плохо смачивается жидким галлием.

Энциклопедический словарь . 2009 .

Синонимы :

Смотреть что такое "Галлий" в других словарях:

Металл, простое тело, существование которого предвидел Менделеев и который был открыт Лекок де Буободраном. Словарь иностранных слов, вошедших в состав русского языка. Чудинов А.Н., 1910. ГАЛЛИЙ неразложимый минерал, сине белого цвета; твердый,… … Словарь иностранных слов русского языка

- (Gallium), Ga, химическая элемент III группы периодической системы, атомный номер 31, атомная масса 69,72; металл. Галлий открыт французским химиком П. Лекоком де Буабодраном в 1875 … Современная энциклопедия

Ga (лат. Gallium * a. gallium; н. Gallium; ф. gallium; и. galio), хим. элемент III группы периодич. системы Mенделеева, ат. н. 31, ат. м. 69,73. Cостоит из двух стабильных изотопов 69Ga (61,2%) и 71Ga (38,8%). Предсказан в 1870 Д. И.… … Геологическая энциклопедия

галлий - я, м. gallium m. От лат. названия Франции, где был открыт в 1875 г. химиком Лекоком де Буадбодраном. ЭС. Химический элемент, мягкий лекоплавкий серебристо белый металл; применяется вместо ртути для изготовления манометров и высокотемпературных… … Исторический словарь галлицизмов русского языка

Галлий - (Gallium), Ga, химическая элемент III группы периодической системы, атомный номер 31, атомная масса 69,72; металл. Галлий открыт французским химиком П. Лекоком де Буабодраном в 1875. … Иллюстрированный энциклопедический словарь

ГАЛЛИЙ - хим. элемент, символ Ga (лат. Gallium), ат. н. 31, ат. м. 69,72; серебристо белый металл; плотность 5904 кг/м3, tпл = 29,8 °С, tкип = 2230°С. Галлий как жидкость существует в очень большом температурном интервале, поэтому его применяют в… … Большая политехническая энциклопедия Словарь синонимов

- (хим.). Свойства этого элементарного тела, Ga=69, 86, былипредсказаны (Д. И. Менделеевым) периодической системой элементов, какэкоалюминия, в 1871 г. В 1875 г. Лекок де Буабодран открыл Г. в цинковойобманке из Пиеррефита (в Пиринеях) с помощью… … Энциклопедия Брокгауза и Ефрона

галлий - Ga Элемент III группы Периодич. системы, ат. н. 31, ат. м. 69,72; серебристо белый легкий металл. Состоит из двух стабильных изотопов с массовыми числами 69 (60,5 %) и 71 (39,5 %). Существование Ga («экаалюминия») и осн. его св ва… … Справочник технического переводчика