Галлий: как сделать?
Любители радиотехники и определенная часть пользователей сети Интернет, скорее всего, находили информацию об уникальном химическом элементе – галлии. Температура плавления Ga составляет 30°C, т.е., по сути, металл может перейти в жидкое состояние от теплоты рук: данный факт вызывает удивление и желание провести небольшой эксперимент, чтобы убедиться в его «магических» свойствах. Наиболее любознательные индивидуумы интересуются не только тем, как выглядит галлий (а выглядит он как обычный кусок металла), но и хотят попробовать получить данный материал в домашних условиях.
Описание металла
Галлий (Ga, Gallium) – химический элемент из группы легких металлов с порядковым номером 31 и атомной массой 69,7. Добывают из цинковой руды и бокситов, а в чистом виде он в природе отсутствует. Имеет мягкую и хрупкую структуру, серебристо-белый (или светло-серый) цвет с едва уловимым синеватым отливом.
Обратите внимание! Более 85% данного материала получается из побочных продуктов алюминиевого производства, методом зонного плавления или путем испарения в вакууме.
Данный химический элемент зачастую применяется в особом процентном соотношении с мышьяком. Подобное соединение галлия и мышьяка носит название арсенида галлия (сокращенно – GaAs). В результате смешения двух элементов создается полупроводник, который, наравне с кремнием и германием, активно используется в следующих хозяйственных отраслях:
- радиоэлектронике;
- промышленности;
- медицине;
- лазерной технике;
- т.д.
Интересный факт! Ga способен оставаться в жидком состоянии даже при охлаждении ниже температуры его плавления.
Широкого распространения Ga не получил в основном из-за своей природной редкости и сложности в получении. Но при этом рассматриваемый химический элемент применяется в производстве транзисторов, всевозможных интегральных схем, светодиодов, фотоприемников, противопожарных сигнальных системах, предохранителях, оптических приборах (помогает улучшить отражательные качества) и даже в ряде фармацевтических препаратов. Помимо использования в микроэлектронике, производстве легковых сплавов и электроламп, галлий понадобится для создания великолепного по своим качествам металлического клея или же в качестве смазки. Примечательно, что Ga можно применять как вещество-наполнитель для кварцевых градусников.
Как получить
Галлий совершенно безопасен для здоровья человека (если его не есть), так как температура кипения составляет около 2500°C: при комнатной температуре металл не испаряется и «надышаться» его парами не получится. Ga – очень редкий металл, который получается путем выплавки цинка из цинковых концентратов. Чтобы сделать галлий дома, потребуется:
- Добыть особый галлит (CuGaS2, Gallite) – редкий минерал, представляющий собой двойной сульфид меди и галлия серо-черного цвета (не путать с галитом-солью).
- Обжечь кусочек CuGaS2, чтобы избавиться от серы, которая преобразуется в сернистый газ (также можно растворить серу в концентрате из HNO3 – азотной кислоты).
- Отделить галлий от меди при помощи химической реакции осаждения, либо применяя амфотерность данного вида металла (Ga без труда растворяется в щелочах, а CuO – не растворяется).
- Осадить Ga при помощи электролиза с необходимым напряжением и плотностью тока.
- Можно также получить Ga при помощи реакции вытеснения (с магнием) из соли галлия.
Как видно из вышесказанного, сделать галлий в домашних условиях будет весьма проблематично (если сказать прямо – практически невозможно): просто посмотреть очередное видео на YouTube и понять принцип выработки галлия не получится. Придется обзавестись химическим заводом, либо как минимум получить доступ к химической лаборатории со всеми нужными веществами. Добыть галлий очень сложно, проще купить металл, чем пытаться его изготовить. Цена 1 кг галлия на российском рынке составляет 15 000-23 000 руб.
История металла
Впервые наличие в природе галлия предсказал Д. И. Менделеев. Еще в процессе создания своей периодической системы элементов в 1869 г. великий русский ученый оставил пустые ячейки для III группы химических веществ, стоящих в одном ряду с алюминием и кремнием. Дмитрий Иванович даже смог заранее описать ключевые свойства галлия, а также способ его открытия. Чуть позже, в декабре 1870 года, химик указал в своей публикации ориентировочный атомный вес экаалюминия (около 68) и его удельный вес (6 г/см 3 ). Менделеев заявил, что данный металл будет иметь низкую температуру плавления.
Спустя 5 лет (27.08.1875) член Французской академии наук, Поль Эмиль Лекок де Буабодран, открыл Ga и заявил о своем открытии 20 сентября 1875 г. Буабодран обнаружил новый химический элемент в образце сфалерита, привезенного из долины Аржелес – части горной системы Пиренеи. В процессе исследования спектра образца «цинковой обманки» ученый заметил 2 линии фиолетового цвета, что свидетельствовало о наличии в кусочке кристалла сфалерита неизвестного ранее элемента. Любопытно, что содержание Ga в руде составляло менее 0,2%: несмотря на сложности в отделении от кусочка сфалерита нового элемента, ученый смог вычленить около 0,1 г галлия, исследовать полученное вещество и найти определенные сходства нового металла с цинком.
Поль де Буабодран предложил назвать новый металл в честь города Галлии, латинского наименования своей родины (Франции). Научное сообщество приняло его инициативу, и Gallium занял свое заслуженное место в периодической системе. Открытие галлия, а затем и германия со скандием, способствовало популяризации периодической системы химических элементов. Сам Д. И. Менделеев окрестил Буабодрана «укрепителем Периодического закона».
Источник
Галлий – польза, особенности и опасность металла
Этот металл не относится к редким, но на мировых биржах за него расплачиваются миллионами. Галлий – материал номер один для нового тысячелетия.
Что представляет собой
- Галлий – это химический элемент, занимающий ячейку №31 таблицы Менделеева.
- Относится к легким металлам.
- Чистый галлий – это мягкий, серебристо-серого с синеватостью цвета, хрупкий металл.
- По составу – конгломерат двух изотопов (оба стабильны). Синтезировано три десятка радиоактивных единиц.
Как был открыт
Существование вещества предсказал Дмитрий Менделеев (1869 год):
- Заполняя свою таблицу, он знал, что должны появиться новые химические элементы, которые заполнят пустующие ячейки.
- Одно из них назвал экаалюминием, предсказал основные свойства: удельный вес, легкоплавкость.
Через шесть лет все подтвердилось. Французский химик Эмиль де Буабодран выделил из цинковой руды, добытой в Пиренеях, простое вещество, описал его свойства.
О новизне просигнализировала фиолетовость линий в спектре элемента.
Ученый предложил именовать элемент галлием – по латинизированному названию Франции (Галлия). Так он и вошел в историю.
Нахождение в природе
Галлий как металл в природе отсутствует, микродозы его соединений содержат цинковые руды и бокситы. Рассеянный элемент, не формирующий мегаскоплений.
Галлием богаты два десятка минералов, среди которых – полудрагоценные самоцветы гранат, берилл, турмалин, сподумен.
Элемент не особо редок – тонна земной коры содержит 19 г галлия, литр морской воды – 3 мкг.
Физико-химические характеристики
Еще Менделеев установил сходство химических свойств галлия с алюминием. Но «галлиевые» реакции идут неспешно, спокойно.
Металл наделен небанальными характеристиками:
- Структура кристаллической решетки меняется в зависимости от температуры и давления.
- Затвердевая, вещество расширяется. Такой феномен редкость, им наделены всего несколько элементов, включая кремний и воду.
- Особенность галлия – жидкая форма в температурном диапазоне 2200 единиц (начинает плавиться при 25°C). Недаром обрел репутацию «жидкого металла».
Расплавляемость при комнатной температуре – признак, по которому галлий легко отличить от остальных металлов.
- На воздухе обзаводится пленкой-оксидом.
- Не взаимодействует с кремнием, бором, газами (азотом, угле-, водородом).
- С большинством металлов образует галлиды.
Нагретый галлий разрушает материалы сильнее любого расплавленного металла.
| Свойства атома | |
|---|---|
| Название, символ, номер | Галлий / Gallium (Ga), 31 |
| Атомная масса (молярная масса) | 69,723(1) а. е. м. (г/моль) |
| Электронная конфигурация | [Ar] 3d10 4s2 4p1 |
| Радиус атома | 141 пм |
| Химические свойства | |
| Ковалентный радиус | 126 пм |
| Радиус иона | (+3e) 62 (+1e) 81 пм |
| Электроотрицательность | 1,81 (шкала Полинга) |
| Электродный потенциал | 0 |
| Степени окисления | (+1) +3 |
| Энергия ионизации (первый электрон) | 578,7 (6,00) кДж/моль (эВ) |
| Термодинамические свойства простого вещества | |
| Плотность (при н. у.) | 5,91 г/см³ |
| Температура плавления | 302,9146 К (29,7646°C) |
| Температура кипения | 2477 К (2203,85°C) |
| Уд. теплота плавления | 5,59 кДж/моль |
| Уд. теплота испарения | 270,3 кДж/моль |
| Молярная теплоёмкость | 26,07 Дж/(K·моль) |
| Молярный объём | 11,8 см³/моль |
| Кристаллическая решётка простого вещества | |
| Структура решётки | орторомбическая |
| Параметры решётки | a=4,519 b=7,658 c=4,526 Å |
| Температура Дебая | 240 K |
| Прочие характеристики | |
| Теплопроводность | (300 K) 28,1 Вт/(м·К) |
| Номер CAS | 7440-55-3 |
Особо опасен галлий для алюминия и меди. Он пропитывает их насквозь, внедряясь в кристаллическую структуру. Алюминий окисляется, затем рассыпается.
Галлий держат подальше от электроники, алюминиевых радиаторов, конденсаторов, ноутбуков с корпусом из алюминиевого сплава, других деталей.
Технология производства
Основой производства металлического галлия часто служит минерал галлит (формула CuGaS2), а также уголь, нефелины, бокситы.
Традиционный способ получения продукта – из глиноземов, выделенных переработкой бокситов:
- Жидкие щелочи (полуфабрикат при переработке бокситов) подвергают электролизу либо спекают. Насыщенность галлием раствора (на литр) достигает 110-140 либо 52-63 мг.
- Карбонизацией извлекают алюминий, получая насыщенный осадок.
- Осадок известкуют, получая галлиевый раствор.
- Из раствора почти готовый металл «достают» электролизом.
- С целью нейтрализации летучих примесей продукт окатывают водой, фильтруют, подогревают в вакуумной печи.
Особо чистый материал (примесей не более 0,0001%) получают рафинированием либо восстановлением водородом.
За килограмм галлия на мировом рынке выкладывают $1200-1400. Такая цена актуализирует проблему отладки 100% извлечения галлия из бокситов либо жидкого топлива из каменного угля.
Где используется
До цифровой эры галлий использовался как компонент легкоплавких сплавов. Сегодня главная сфера применения металла (96,7%) – микроэлектроника.
Мягкий, хрупкий металл серебристо-белого цвета с синеватым оттенком – галлий
Промышленность
На практике эксплуатируются полезные свойства галлия:
- Металл – «дублер» ядовитой ртути в вакуумных аппаратах, термометрах, работающих при высоких температурах.
- Смазка при соединении деталей из керамики, кварца, стекла.
- Сплав металла с индием – топливо атомных установок.
- Внешний слой зеркал специального назначения.
- Оксид, арсенид, нитрид галлия – компонент лазерной аппаратуры синего и ультрафиолетового диапазона, электроники, работающей на сверхвысоких частотах.
- Природный изотоп-71 опознает присутствие нейтрино.
Металл – температурный стабилизатор, «щит» от коррозии для плутония как компонента атомных бомб. (Такую сбросили на Нагасаки).
Легкоплавкость – не всегда достоинство. Она затрудняет хранение, перемещение вещества и продукции из него. Для устранения этого недостатка кусочки галлия упаковывают в полиэтилен, на который галлий не воздействует.
Медицина
Элемент нашел применение в медицине:
- Онкологи используют препараты галлия, чтобы приостановить разрушение скелета пациентов.
- Ими оперативно останавливают кровотечение из проникающих ран. При этом тромбы не образуются.
- Это сильный истребитель бактерий.
- Благодаря галлию раны затягиваются быстрее и безболезненнее.
Медицина оценила сходство воздействия соединений галлия и железа на биологическом уровне. Они используются как дублеры.
Воздействие на человека
О токсичности вещества единства нет, диапазон оценок – от малой до высокой степени.
Об интоксикации галлием сигнализируют следующие симптомы:
- Возбуждение, сменяющееся заторможенностью.
- Разбалансированность при движении.
- Нарушение дыхательного ритма (учащение-замедление).
Результатом может стать паралич ног, кома, летальный исход.
Вдыхание аэрозоля с галлием в составе (49,9 мг на кубометр) либо инъекция солей вещества (0,011-0,026 г/кг массы тела человека) выводит из строя почки.
Источник