GALIJ: LASTNOSTI, STRUKTURA, PRIDOBIVANJE, UPORABE - KEMIJA - 2026

Galij je kovinski element, ki je predstavljen s simbolom Ga spada v skupino 13 periodnega sistema. Kemično je v svojem amfoterizmu podoben aluminiju; vendar obe kovini na koncu kažeta lastnosti, zaradi katerih se lahko med seboj razlikujeta.

Na primer, z aluminijevimi zlitinami je mogoče obdelati vse oblike; medtem ko imajo tiste iz galija zelo nizke tališča, ki so praktično sestavljene iz srebrnastih tekočin. Prav tako je tališče galija nižje kot pri aluminiju; prvi se lahko topijo od vročine roke, drugi pa ne morejo.

Kristali galija, dobljeni z deponiranjem majhnega drobca galija v prenasičeni raztopini (tekoči galij). Vir: Maxim Bilovitskiy

Kemična podobnost galija in aluminija jih tudi geokemično združuje; to je, minerali ali kamnine, bogate z aluminijem, na primer boksiti, imajo precejšnjo koncentracijo galija. Poleg tega mineraloškega vira obstajajo še drugi cink, svinec in ogljik, ki so široko razpršeni po celotni zemeljski skorji.

Gallium ni priljubljena kovina. Že samo ime lahko v mislih vzbudi podobo petelina. V resnici so grafični in splošni prikazi galija ponavadi s podobo srebrnega petelina; poslikana s tekočim galijem, zelo mokro snovjo na steklu, keramiki in celo roki.

Eksperimenti, v katerih z rokami topijo kovinske kovine galija, so pogosto pogosti tudi manipulacija z njegovo tekočino in nagnjenost k obarvanju vsega, česar se dotakne.

Čeprav galij ni strupen, kot je živo srebro, je uničevalno sredstvo kovin, saj jih naredi krhke in neuporabne (najprej). Po drugi strani pa farmakološko posega v procese, kjer biološke matrice uporabljajo železo.

Za tiste v svetu optoelektronike in polprevodnikov bo galij zelo spoštovan, primerljiv s silicijem in morda boljši od njega. Po drugi strani so iz galija izdelani termometri, ogledala in predmeti na osnovi njegovih zlitin.

Kemično ima ta kovina še vedno veliko ponuditi; morda na področju katalize, jedrske energije, pri razvoju novih polprevodniških materialov ali "preprosto" pri razjasnitvi njihove zmedene in zapletene strukture.

Zgodovina

Napovedi njenega obstoja

Leta 1871 je ruski kemik Dmitri Mendeleev že napovedal obstoj elementa, katerega lastnosti so bile podobne lastnosti aluminija; ki ga je poimenoval ekaluminium. Ta element je moral biti nameščen tik pod aluminijem. Mendeleev je tudi napovedal lastnosti (gostota, tališče, formule njegovih oksidov itd.) Ekaluminija.

Odkritje in izolacija

Presenetljivo je, da je francoski kemik Paul-Emili Lecoq de Boisbaudran štiri leta pozneje našel nov element v vzorcu sfalerita (cinkova mešanica) s Pirenejev. Odkril ga je lahko s pomočjo spektroskopske analize, v kateri je opazoval spekter dveh vijoličnih črt, ki se nista ujemala s spektrom drugega elementa.

Ko je odkril nov element, je Lecoq izvedel poskuse na 430 kg sfalerita, iz katerega je lahko izoliral 0,65 grama; in po vrsti meritev njegovih fizikalnih in kemijskih lastnosti je ugotovil, da gre za Mendeleev ekaluminij.

Za izolacijo je Lecoq opravil elektrolizo ustreznega hidroksida v kalijevem hidroksidu; verjetno isti, s katerim je raztopil sfalerit. Po potrditvi, da je bil ekaluminij in je bil tudi njegov odkritelj, mu je dal ime "gallium" (galium v ​​angleščini). To ime je izhajalo iz imena "Gallia", kar v latinščini pomeni Francija.

Vendar pa ime predstavlja še eno radovednost: „Lecoq“ v francoščini pomeni „petelin“, v latinščini pa „gallus“. Ker je metal, je "gallus" postal "galij"; čeprav je v španščini pretvorba veliko bolj neposredna. Tako ni naključje, da o petelinu pomislimo, ko govorimo o galiju.

Fizikalne in kemijske lastnosti

Videz in fizične lastnosti

Gallium je srebrnkaste kovine brez vonja, steklene površine z adstrigentnim okusom. Trdna snov je mehka in krhka, kadar se zlomi, je tako konhoidna; to pomeni, da so tvorjeni kosi ukrivljeni, podobni morskim školjkam.

Ko se stopi, odvisno od kota, ki ga gledamo, lahko pokaže modrikast sijaj. Ta srebrna tekočina ni strupena pri stiku; vendar se preveč "oprijema" površin, še posebej, če so keramične ali steklene. Na primer, ena kapljica galija lahko prebije notranjost steklene skodelice in jo prevleče s srebrnim ogledalom.

Če trden drobček galija odložimo v tekoči galij, služi kot jedro, kjer se bliskoviti kristali galija hitro razvijajo in rastejo.

Atomska številka (Z)

31 ( ₃₁ Ga)

Molarna masa

69.723 g / mol

Tališče

29.7646 ° C. To temperaturo lahko dosežemo s tesnim držanjem kozarca galija med dvema rokama, dokler se ne stopi.

Vrelišče

2400 ° C. Upoštevajte veliko vrzel med 29,7 ° C in 2400 ° C; to pomeni, da ima tekoči galij zelo nizek parni tlak, zaradi česar je to eden izmed elementov z največjo razliko v temperaturi med tekočim in plinastim stanjem.

Gostota

-Na sobni temperaturi: 5,91 g / cm ³

-Na tališče: 6,095 g / cm ³

Upoštevajte, da se z galijem dogaja enako kot z vodo: gostota njegove tekočine je večja kot gostota trdne snovi. Zato bodo vaši kristali plavali na tekočem galiju (galijeve ledene gore). V resnici je volumenska ekspanzija trdne snovi taka (trikrat), da je neprijetno hraniti tekoči galij v posodah, ki niso iz plastike.

Vročina fuzije

5,59 kJ / mol

Toplota izparevanja

256 kJ / mol

Molarna toplotna zmogljivost

25,86 J / (mol K)

Parni tlak

Pri 1037 ºC pritiska samo 1 tekočina 1 Pa.

Elektronegativnost

1,81 po Paulingovi lestvici

Ionizacijske energije

-Prvi: 578,8 kJ / mol (Ga ⁺ plin)

-Sekunda: 1979,3 kJ / mol (Ga ²⁺ plinasti)

-Tretje: 2963 kJ / mol (Ga ³⁺ plinasti)

Toplotna prevodnost

40,6 W / (m K)

Električni upor

270 nΩ m pri 20 ° C

Mohsova trdota

1.5

Viskoznost

1819 cP pri 32 ° C

Površinska napetost

709 barv / cm pri 30 ° C

Amfoterika

Tako kot aluminij je tudi galij amfoteričen; reagira tako s kislinami kot z bazami. Močne kisline ga lahko na primer raztopijo, da tvorijo soli galija (III); če sta H ₂ SO ₄ in HNO ₃ , _nastane Ga ₂ (SO ₄ ) ₃ in Ga (NO ₃ ) ₃ . Medtem ko pri reakciji z močnimi bazami nastajajo galatne soli z ionom Ga (OH) ₄ ^- .

Upoštevajte podobnost med Ga (OH) ₄ ^- in Al (OH) ₄ ^- (aluminatom). Če v medij dodamo amoniak, nastane galijev (III) hidroksid, Ga (OH) ₃ , ki je tudi amfoterni; pri reakciji z močnimi bazami proizvede Ga (OH) ₄ ^{- še enkrat} , če pa reagira z močnimi kislinami, sprosti kompleksno vodno ³⁺ .

Reaktivnost

Kovinski galij je pri sobni temperaturi relativno inerten. Z zrakom ne reagira, saj ga tanka plast oksida, Ga ₂ O ₃ , ščiti pred kisikom in žveplom. Ko se kovina oksidacijo nadaljuje, pa se oksidacija nadaljuje in se popolnoma pretvori v njen oksid. In če je prisotno žveplo, pri visokih temperaturah reagira, da tvori Ga ₂ S ₃ .

Ne obstajajo samo galijevi oksidi in sulfidi, ampak tudi fosfidi (GaP), arsenidi (GaAs), nitridi (GaN) in antimonidi (GaSb). Takšne spojine lahko nastanejo z neposredno reakcijo elementov pri povišani temperaturi ali z alternativnimi sinteznimi potmi.

Prav tako lahko galij reagira s halogeni in tvori svoje halogene; kot Ga ₂ Cl ₆ , GAF ₃ in Ga ₂ I ₃ .

Ta kovina, tako kot aluminij in njegovi sorodniki (pripadniki iste skupine 13), lahko kovalentno komunicirajo z ogljikovimi atomi, da nastanejo organometalne spojine. V primeru tistih, ki imajo Ga-C vezi, jih imenujemo organogaliji.

Pri galiju najzanimivejša ni vsaka njegova prejšnja kemijska lastnost, temveč njegova ogromna enostavnost, s katero ga je mogoče legirati (podobno kot živo srebro in njegov postopek združevanja). Njegovi Ga-atomi hitro "drgnejo ramena" med kovinske kristale, kar ima za posledico galijeve zlitine.

Struktura in elektronska konfiguracija

Kompleksnost

Galij ni le nenavaden, saj gre za kovino, ki se topi s toploto dlani, ampak je njegova struktura zapletena in negotova.

Po eni strani je znano, da njeni kristali v normalnih pogojih prevzamejo ortorombično strukturo (Ga-I); Vendar je to le ena od številnih možnih faz te kovine, katere natančen vrstni red njenih atomov ni naveden. Gre torej za bolj zapleteno strukturo, kot se morda zdi na prvi pogled.

Zdi se, da se rezultati razlikujejo glede na kot ali smer, v kateri se analizira njegova struktura (anizotropija). Prav tako so te strukture zelo občutljive na najmanjše spremembe temperature ali tlaka, kar pomeni, da galija v času interpretacije podatkov ni mogoče opredeliti kot eno vrsto kristala.

Dimers

Atomi Ga medsebojno delujejo zahvaljujoč kovinski vezi. Vendar pa je bila ugotovljena določena stopnja kovalencije med dvema sosednjima atomoma, zato domnevamo, da obstaja dimer Ga ₂ (Ga-Ga).

Teoretično bi bilo treba to kovalentno vez tvoriti s prekrivanjem 4p orbitale, njen edini elektron v skladu z elektronsko konfiguracijo:

3d ¹⁰ 4s ² 4p ¹

Ta mešanica kovalentno-kovinskih interakcij pripisuje nizko tališče galija; ker čeprav po eni strani lahko pride do "morja elektronov", ki ima atome GA tesno skupaj v kristalu, na drugi strukturni enote sestavljajo Ga ₂ dimerov , katerih interakcije med molekulami so šibke.

Faze pod visokim tlakom

Ko se tlak poveča od 4 do 6 GPa, kristali galija opravijo fazni prehod; od orthorhombike prehaja v kubično osredotočeno na telesu (Ga-II), od tega pa končno prehaja v tetragonalno osredotočeno na telesu (Ga-III). V območju tlaka se lahko tvori mešanica kristalov, kar še otežuje razlago struktur.

Oksidacijske številke

Najbolj energični elektroni so tisti, ki jih najdemo v orbiti 4s in 4p; Ker so trije, se pričakuje, da jih bo galij izgubil v kombinaciji z elementi, ki so bolj negativni od njega.

Ko se to zgodi, domnevamo, da obstaja kation Ga ³⁺ , njegovo število ali oksidacijsko stanje pa je +3 ali Ga (III). Pravzaprav je to najpogostejša od vseh njenih oksidacijskih številk. Naslednje spojine, na primer, vsebujejo galij kot +3: Ga ₂ O ₃ (Ga ₂ ³⁺ O ₃ ^2- ), Ga ₂ Br ₆ (Ga ₂ ³⁺ Br ₆ ^- ), Li ₃ GaN ₂ (Li ₃ ⁺ Ga ³⁺ N ₂ ^3- ) in Ga ₂ Te ₃ (Ga ₂³⁺ Te ₃ ^2- ).

Galij lahko najdemo tudi z oksidacijskima številkama +1 in +2; čeprav so veliko manj pogosti kot +3 (podobno kot pri aluminiju). Primeri takšnih spojin so GaCl (GA ⁺ Cl ^- ), Ga ₂ O (GA ₂ ⁺ O ^2- ) in plin (Ga ²⁺ S ^2- ).

Upoštevajte, da je obstoj ionov z velikostjo naboja enak obravnavanemu oksidacijskemu številu vedno (pravilno ali ne).

Kje najti in pridobiti

Vzorec minerala gallita, ki je redek, vendar edini z občutno koncentracijo galija. Vir: Rob Lavinsky, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0

Galij najdemo v zemeljski skorji z obilico, sorazmerno količini kovin, kobalta, svinca in niobija. Pojavlja se kot hidratiran sulfid ali oksid, ki se široko širi kot nečistoče, ki jih vsebujejo drugi minerali.

Njeni oksidi in sulfidi so v vodi slabo topni, zato je koncentracija galija v morjih in rekah nizka. Poleg tega je edini mineral, "bogat" z galijem, gallita (CuGaS ₂ , zgornja slika). Vendar pa je kokoš za pridobivanje te kovine nepraktično izkoriščati. Manj znan je mineral plusbogumit galija.

Zato za to kovino ni idealnih rud (s koncentracijo večjo od 0,1 mas.%).

Namesto tega se galij pridobi kot stranski proizvod metalurške obdelave rud drugih kovin. Na primer, lahko ga pridobivamo iz boksitov, cinkovih mešalnikov, alumov, premoga, galenov, piritov, germanitov itd .; to je, običajno je povezano z aluminijem, cinkom, ogljikom, svincem, železom in germanijem v različnih mineralnih telesih.

Ionska izmenjevalna kromatografija in elektroliza

Ko se mineralna surovina prebavi ali raztopi bodisi v močno kislem ali baznem mediju, dobimo mešanico kovinskih ionov, raztopljenih v vodi. Ker je galij sekundarni proizvod, njegovi ioni Ga ³⁺ ostanejo raztopljeni v mešanici, ko se obarjajo zanimive kovine.

Tako je zaželeno, da se ti Ga ³⁺ ločijo od ostalih ionov, edini namen pa je povečati njihovo koncentracijo in čistost nastale kovine.

Za to se poleg običajnih tehnik padavin uporablja ionska izmenjevalna kromatografija z uporabo smole. Zahvaljujoč tej tehniki je mogoče ločiti (na primer) Ga ³⁺ od Ca ²⁺ ali Fe ³⁺ .

Ko dobimo visoko koncentrirano raztopino ionov Ga ³⁺ , jo izpostavimo elektrolizi; to pomeni, da Ga ³⁺ sprejema elektrone, da se lahko tvori kot kovina.

Izotopi

Galij najdemo v naravi predvsem kot dva izotopa: ⁶⁹ Ga, z obiljem 60,11%; in ⁷¹ Ga, z obilico 39,89%. Zaradi tega je atomska teža galija 69.723 u. Drugi izotopi galija so sintetični in radioaktivni z atomsko maso od ⁵⁶ Ga do ⁸⁶ Ga.

Tveganja

Okoljski in fizični

Z okoljskega vidika kovinski galij ni zelo reaktiven in topen v vodi, zato njegovo razlitje v teoriji ne predstavlja velike nevarnosti onesnaženja. Poleg tega ni znano, kakšno biološko vlogo ima lahko v organizmih, pri čemer se večina njegovih atomov izloča z urinom, brez znakov kopičenja v nobenem od njegovih tkiv.

Za razliko od živega srebra se lahko z galijem ravna z golimi rokami. Pravzaprav je poskus, da bi ga poskušali stopiti s toploto rok, precej pogost. Oseba se lahko dotakne nastale srebrne tekočine, ne da bi se bala, da bi poškodovala ali poškodovala svojo kožo; čeprav na njem pušča srebrn madež.

Toda zaužitje je lahko strupeno, saj bi se teoretično raztopilo v želodcu, da bi ustvaril GaCl ₃ ; galijeva sol, katere vpliv na telo je neodvisen od kovine.

Poškodba kovin

Za galij je značilno, da močno obarva ali oprime površine; in če so te kovinske, gre skozi njih in v trenutku oblikuje zlitine. Zaradi te lastnosti, da je mogoče legirati skoraj vse kovine, je neprimerno razliti tekoči galij na kateri koli kovinski predmet.

Zato tvegajo, da kovinski predmeti ob prisotnosti galija razbijejo na koščke. Njegovo delovanje je lahko tako počasno in neopaženo, da prinaša nezaželena presenečenja; še posebej, če se je razlil na kovinski stol, ki bi se lahko zrušil, ko nekdo sedi na njem.

Zato tisti, ki želijo ravnati z galijem, ga nikoli ne smejo stikati z drugimi kovinami. Na primer, njegova tekočina lahko raztaplja aluminijasto folijo, pa tudi prikrade v kristale indija, železa in kositra, da postane krhka.

Na splošno velja, da je gallij kljub omenjenemu in dejstvu, da njegove hlape pri sobni temperaturi skoraj ni, na splošno velja za varen element z nič strupenostjo.

Prijave

Termometri

Galinstanski termometri. Vir: Gelegenheitsautor

Galij je živo srebro zamenjal kot tekočino za odčitavanje temperatur, označenih s termometrom. Vendar je tališče 29,7 ºC za to uporabo še vedno veliko, zato ga v kovinskem stanju ne bi bilo mogoče uporabiti v termometrih; namesto tega se uporablja zlitina imenovana Galinstan (Ga-In-Sn).

Zlitina Galinstan ima tališče okoli -18 ºC, dodana ničelna strupenost pa je idealna snov za oblikovanje medicinsko termometrov, ki niso odvisni od živega srebra. Tako bi, če bi se razpadlo, varno očistiti nered; čeprav bi tla umazala zaradi svoje zmožnosti vlaženja površin.

Izdelava ogledal

Še enkrat je treba omeniti zmožnost galija in njegovih zlitin. Ko se dotakne porcelanaste površine ali stekla, se razprostira po celotni površini, dokler ni popolnoma pokrit s srebrnim ogledalom.

Poleg zrcal se za izdelavo predmetov vseh oblik uporabljajo zlitine galija, ki se strdijo, ko se ohladijo. To bi lahko imelo velik nanotehnološki potencial: graditi predmete zelo majhnih dimenzij, ki bi logično delovali pri nizkih temperaturah in bi pokazali edinstvene lastnosti na osnovi galija.

Računalniki

Termične paste, ki se uporabljajo v računalniških procesorjih, so izdelane iz galijevih zlitin.

Droge

Ioni Ga ³⁺ imajo nekaj podobnosti s Fe ³⁺ v načinu, kako posegajo v presnovne procese. Če obstaja funkcija, parazit ali bakterije, ki potrebujejo železo za opravljanje, jih lahko ustavite tako, da ga zamenjate za galij; tak primer je bakterij pseudomonas.

Tako se tu pojavijo droge za galij, ki lahko preprosto sestojijo iz njegovih anorganskih soli ali organogalijev. La Ganita, trgovsko ime galijevega nitrata, Ga (NO ₃ ) ₃ , se uporablja za uravnavanje visokih koncentracij kalcija (hiperkalcemije), povezanih s kostnim rakom.

Tehnološki

Za galijev arsenid in nitrid je značilno, da sta polprevodnika, ki sta v nekaterih optoelektronskih aplikacijah nadomestila silicij. Z njimi so izdelani tranzistorji, laserske diode in svetleče diode (modre in vijolične), čipi, sončne celice itd. Na primer, zahvaljujoč GaN laserjem, je mogoče brati diske Blu-Ray.

Katalizatorji

Galijevi oksidi so bili uporabljeni za proučevanje njihove katalize v različnih organskih reakcijah velikega industrijskega pomena. Eden novejših galijevih katalizatorjev je sestavljen iz lastne tekočine, nad katero se razpršijo atomi drugih kovin, ki delujejo kot aktivna središča ali mesta.

Na primer, katalizator galij-paladij je bil preučen v reakciji dehidriranja butana; to je pretvorba butana v bolj reaktivne nenasičene vrste, potrebne za druge industrijske procese. Ta katalizator je sestavljen iz tekočega galija, ki deluje kot podpora atomom paladija.

Reference

1. Sella Andrea. (23. september 2009). Galij. Svet kemije. Pridobljeno: chemistryworld.com
2. Wikipedija. (2019). Galij. Pridobljeno: en.wikipedia.org
3. Li, R., Wang, L., Li, L., Yu, T., Zhao, H., Chapman, KW Liu, H. (2017). Lokalna struktura tekočega galija pod pritiskom. Znanstvena poročila, 7 (1), 5666. doi: 10.1038 / s41598-017-05985-8
4. Brahama D. Sharma in Jerry Donohue. (1962). Izpopolnitev kristalne strukture galija. Zeitschrift fiir Kristallographie, Bd. 117, S. 293-300.
5. Wang, W., Qin, Y., Liu, X. et al. (2011). Razlogi za distribucijo, pojav in obogatitev galija v premogu iz premoga Jungar, Notranja Mongolija. Sci. Kitajska Zemlja Zemlja 54: 1053. doi.org/10.1007/s11430-010-4147-0
6. Marques Miguel. (sf). Galij. Pridobljeno iz: nautilus.fis.uc.pt
7. Uredniki Encyclopeedia Britannica. (5. april 2018). Galij. Encyclopædia Britannica. Pridobljeno: britannica.com
8. Bloom Josh. (3. april 2017). Galij: topi se v ustih, ne v rokah! Ameriški svet za znanost in zdravje. Pridobljeno: acsh.org
9. Dr. Doug Stewart. (2019). Dejstva o elementu galija. Kemikool. Pridobljeno: chemicool.com
10. Nacionalni center za informacije o biotehnologiji. (2019). Galij. Baza podatkov PubChem. CID = 5360835. Pridobljeno: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov