Застосування галію. Галій - рідкий метал Мінерали галію

А ось ще одне застосування галію. Правда, в такому вигляді воно для мене було досить несподіваним.
Галій знаходиться в рідкому стані в дуже великому інтервалі температур, і, по ідеї, галієві термометрами можна було б вимірювати температуру аж до 2000 градусів. Вперше застосовувати галій як термометрической рідини запропонували досить давно. Я, наприклад, читав про це в довіднику шістдесятих років, а також багато разів бачив відповідні згадки в науково-популярних книгах з хімії (зокрема, в «Популярною бібліотеці хімічних елементів»). Там говорилося, що галієві термометрами вже вимірюють температуру до 1200 градусів, але звичайній людині, побачити в лабораторії ці термометри в живу вдається не часто.
Я думаю, що такі термометри слабо поширені з кількох причин. По-перше, при високих температурах галій є дуже агресивним речовиною. При температурах вище 500 ° C, він роз'їдає практично всі метали, крім вольфраму, а також багато інших матеріалів. Кварц стійкий до дії розплавленого галію до 1100 ° C, але проблема може виникнути через те, що кварц (а також більшість інших стекол) відмінно змочується цим металом. Тобто, галій просто налипне на стінки термометра зсередини, і дізнатися температуру буде неможливо. Ще одна проблема може виникнути при охолодженні термометра нижче 28 градусів. При затвердінні галій поводиться подібно воді - він розширюється і може просто розірвати термомер зсередини. Ну і остання причина, по якій зараз високотемпературний галієвий термометр можна зустріти дуже рідко, це розвиток техніки і електроніки. Не секрет, що цифровим термометром користуватися набагато зручніше, ніж рідинним. Сучасні температурні контролери, в комплекті, наприклад, з платино-платинородієвий термопарами, дозволяють вимірювати температуру в інтервалі від -200 до + 1600 ° C з точністю, недосяжною для рідинних термометрів. До того ж, термопара може перебувати на значній відстані від контролера.
Термометр на фото я знайшов на німецькому аукціоні ebay після приблизно півтора років пошуків.

Існування галію ( "екаалюмінієм") і основні його властивості були передбачені в 1870 році Д. І. Менделєєвим. Елемент був відкритий спектральним аналізом в піренейській цинкової обманку і виділений в 1875 році французьким хіміком П. Е. Лекок де Буабодраном; названий на честь Франції (лат. Gallia). Точне збіг властивостей галію з передбаченими було першим тріумфом періодичної системи.

Знаходження в природі, одержання:

Складається з двох стабільних ізотопів з масовими числами 69 (60,5%) і 71 (39,5%). Середній вміст галію в земній корі відносно високий, 1,5 · 10 -3% по масі, що дорівнює змісту свинцю і молібдену. Галій - типовий розсіяний елемент. Єдиний мінерал галію - Галле CuGaS 2 дуже рідкісний. Геохімія галію тісно пов'язана з геохимией алюмінію, що обумовлено схожістю їх фізико-хімічних властивостей. Основна частина галію в літосфері укладена в мінералах алюмінію. Зміст галію в боксити і нефелінів коливається від 0,002 до 0,01%. Підвищені концентрації галію спостерігаються також в сфалериту (0,01-0,02%), в кам'яному вугіллі (разом з германієм), а також в деяких залізних рудах. Значними запасами галію володіють Китай, США, Росія, Україна, Казахстан.
Основне джерело отримання галію - алюмінієве виробництво. При переробці бокситів галій концентрується в маткових розчинах після виділення Аl (ОН) 3. З таких розчинів галій виділяють електролізом на ртутному катоді. З лужного розчину, отриманого після обробки амальгами водою, осаджують Ga (OH) 3, яку розчиняють в луги і виділяють галій електролізом.
Отриманий електролізом лужного розчину рідкий галій, промитий водою і кислотами (НСl, HNO 3), містить 99,9-99,95% Ga. Більш чистий метал отримують плавкою у вакуумі, зонної плавкою або витягуванням монокристала з розплаву.

Фізичні властивості:

Метал сріблясто-білого кольору, м'який, важкий. Відмітна особливість галію - великий інтервал рідкого стану (tпл 29,8 ° C, t кип 2230 ° С) і низький тиск пари при температурах до 1100-1200 ° С. Щільність твердого металу 5,904 г / см 3 (20 ° С), нижче ніж рідкого, тому кристалізується галій, подібно льоду, може розірвати скляну ампулу. Питома теплоємність твердого галію 376,7 дж / (кг · К).

Хімічні властивості:

На повітрі при звичайній температурі галій стійок. Вище 260 ° С в сухому кисні спостерігається повільне окислення (плівка оксиду захищає метал). Хлор і бром реагують з галієм на холоду, йод - при нагріванні. Розплавлений галій при температурах вище 300 ° С взаємодіє з усіма конструкційними металами і сплавами (крім W), утворюючи интерметаллические з'єднання.
При нагріванні під тиском галій реагує з водою: 2Ga + 4H 2 O = 2GaOOH + 3H 2
З мінеральними кислотами Ga повільно реагує з виділенням водню: 2Ga + 6HCl = 2GaCl 3 + 3H 2
При цьому в сірчаної та соляної кислоти галій розчиняється повільно, в плавикової - швидко, в азотній кислоті на холоду галій стійкий.
У гарячих розчинах лугів галій повільно розчиняється. 2Ga + 6H 2 O + 2NaOH = 2Na + 3H 2

Найважливіші сполуки:

оксид галію, Ga 2 O 3 - білий або жовтий порошок, tпл +1795 ° C. Одержують нагріванням металевого галію на повітрі при 260 ° C або в атмосфері кисню, або прожарюванням нітрату або сульфату галію. Існує у вигляді двох модифікацій. Повільно реагує з кислотами і лугами в розчині, проявляючи амфотерні властивості:
гідроксид галію, Ga (OH) 3 - випадає у вигляді желеобразного осаду при обробці розчинів солей тривалентного галію гідроксидами і карбонатами лужних металів (pH 9,7). Можна отримати гідролізом солей тривалентного галію.
Виявляє амфотерні, з деякою перевагою кислотних, властивості, при розчиненні в лугах утворює галлат(Наприклад, Na). Розчиняється в концентрованому аміаку і концентрованому розчині карбонату амонію, при кип'ятінні осідає. Нагріванням гідроксид галію можна перевести в GaOOH, потім в Ga 2 O 3 * H 2 O, і, нарешті, в Ga 2 O 3.
солі галію. GaCl 3 - безбарвні гігроскопічні кристали. tпл 78 ° C, t кип 215 ° C Ga 2 (SO 4) 3 * 18H 2 O - безбарвне, добре розчинний у воді речовина, утворює подвійні солі типу квасцов. Ga (NO 3) 3 * 8H 2 O - безбарвні, розчинні у воді і етанолі кристали
сульфід галію, Ga 2 S 3 - жовті кристали або білий аморфний порошок з tпл 1250 ° C, розкладається водою.
гідриди галіюотримують виходячи з галлийорганические з'єднань. Подібні до гідридів бору, алюмінію: Ga 2 H 6 - дигалан, летюча рідина, tпл - 21,4 ° C, температуру кипіння 139 ° C. x - полігаллан, біла тверда речовина. Гідриди нестійкі, розкладаються з виділенням водню.
Галанат літію, Li отримують в ефірному розчині реакцією 4LiH + GaCl 3 = Li + 3LiCl
Безбарвні кристали, нестійкий, водою гідролізується з виділенням водню.

застосування:

Галій можна використовувати для виготовлення оптичних дзеркал, що відрізняються високою відбивною здатністю.
Галій - чудовий мастильний матеріал. На основі галію і нікелю, галію і скандію створені практично дуже важливі металеві клеї.
Арсенід галію GaAs, а також GaP, GaSb, що володіють напівпровідниковими властивостями - перспективні матеріали для напівпровідникової електроніки. Вони можуть застосовуватися у високотемпературних випрямлячах і транзисторах, сонячних батареях а також в приймачах інфрачервоного випромінювання.
Оксид галію входить до складу важливих лазерних матеріалів групи гранатів - ГСГГ, ІАГ, ІСГГ і ін.
Галій доріг, в 2005 році на світовому ринку тонна галію коштувала 1,2 млн доларів США, і в зв'язку з високою ціноюі в той же час з великою потребою в цьому металі дуже важливо налагодити його повне вилучення при алюмінієвому виробництві та переробці кам'яного вугілляна рідке паливо.

Іванов Олексій
ХФ ТюмГУ, 561 група.

Про елементі з атомним номером 31 більшість читачів пам'ятають тільки, що це один з трьох елементів, передбачених і найбільш докладно описаних Д.І. Менделєєвим, і що - вельми легкоплавкий метал: щоб перетворити його в рідину, досить тепла долоні.

Свою розповідь про елемент № 31 ми навмисне почали з згадки про те, що відомо майже всім. Тому що це «відоме» вимагає пояснень. Всі знають, що галій передбачений Менделєєвим, а відкритий Лекок де Буабодра-ном, але далеко не всім відомо, як сталося відкриття. Майже всі знають, що галій легкоплавок, але майже ніхто не може відповісти на питання, чому він легкоплавок.

Як були відкриті галій

Французький хімік Поль Еміль Лекок де Буабодран увійшов в історію як відкривач трьох нових елементів: галію (1875), самарію (1879) і диспрозия (1886). Перше з цих відкриттів принесло йому славу.

В час за межами Франції він був мало відомий. Йому було 38 років, займався він переважно спектроскопічними дослідженнями. Спектроскопістом Лекок де Буабодран був хорошим, і це в кінцевому рахунку призвело до успіху: все три свої елемента він відкрив методом спектрального аналізу.

У 1875 р Лекок де Буабодран досліджував спектр цинкової обманки, привезеної з Пьеррфіта (Піренеї). У цьому спектрі і була виявлена ​​нова фіолетова лінія (довжина хвилі 4170А). Нова лінія свідчила про присутність в мінералі невідомого елемента, і, цілком природно, Лекок де Буабодран доклав максимум зусиль, щоб цей елемент виділити. Зробити це виявилося непросто: зміст нового елемента в руді було менше 0,1%, і багато в чому він був подібний до цинку. Після тривалих дослідів вченому вдалося-таки отримати новий елемент, але в дуже невеликій кількості. Настільки невеликому (менше 0,1 г), що вивчити його фізичні і Хімічні властивостіЛекок де Буабодран зміг далеко не повно.

Повідомлення про відкриття галію - так в честь Франції (Галлія - ​​її латинська назва) був названий новий елемент - з'явилося в доповідях Паризької академії наук.

Це повідомлення прочитав Д. І. Менделєєв і дізнався в галлії передбачений їм п'ятьма роками раніше екаалюмінієм. Менделєєв тут же написав в Париж. «Спосіб відкриття і виділення, а також деякі описані властивості змушують припускати, що новий метал не що інше, як екаалюмінієм», - говорилося в його листі. Потім він повторював передбачені для цього елемента властивості. Більш того, будь-коли тримаючи в руках крупинки галію, не бачачи його в очі, російський хімік стверджував, що першовідкривач елемента помилився, що щільність нового металу не може бути дорівнює 4,7, як писав Лекок де Буабодран, вона повинна бути більше, приблизно 5,9-6,0 г / см3.

Як це не дивно, але про існування періодичногозакону перший з його ствердна, «укрепителей», дізнався лише з цього листа. Він ще раз підкреслив і ретельноочистив крупиці галію, щоб перевірити результати перших дослідів. Деякі історики науки вважають, що робилося це з метою осоромити самовпевненого російської«Провісника». Але досвід показав зворотне: помилився першовідкривач. Пізніше він писав: «Не потрібно, я думаю, вказувати на виключне значення, яке має щільність нового елемента щодо підтвердження теоретичних поглядів Менделєєва».

Майже точно збіглися з даними досвіду і інші передбачені Менделєєвим властивості елемента № 31. «Пророцтва Менделєєва виправдалися з незначними відхиленнями: екаалюмінієм перетворився в галій». Так характеризує цю подію Енгельс в «Діалектика природи».

Чи потрібно говорити, що відкриття першого з передбачених Менделєєвим елементів значно зміцнилопозиції періодичного закону.

Ви читаєте, стаття на тему галій історія

Галієві термометри дозволяють в принципі виміряти температуру від 30 до 2230 ° С. Зараз випускаються галієві термометри для температур до 1200 ° С.

Елемент № 31 йде на виробництво легкоплавких сплавів, використовуваних в сигнальних пристроях. Сплав галію з індієм плавиться вже при 16 ° С. Це самий легкоплавкий з усіх відомих сплавів.

Як елемент III групи, що сприяє посиленню в напівпровіднику «доречний» провідності, (чистотою не менш 99,999%) застосовують як присадку до германію і кремнію.

Интерметаллические з'єднання галію з елементами V групи - сурмою і миш'яком - самі мають напівпровідниковими властивостями.

Добавка галію в скляну масу дозволяє отримати скла з високим коефіцієнтом заломлення світлових променів, а скла на основі Ga2О3 добре пропускають інфрачервоні промені.

Рідкий відображає 88% падаючого на нього світла, твердий - трохи менше. Тому роблять дуже прості у виготовленні галієві дзеркала - галієві покриття можна наносити навіть пензлем.

Іноді використовують здатність галію добре змочувати тверді поверхні, замінюючи їм в дифузійних вакуумних насосах. Такі насоси краще «тримають» вакуум, ніж ртутні.

Були спроби застосувати в атомних реакторах, але навряд чи результати цих спроб можна вважати успішними. Мало того, що галій досить активно захоплює нейтрони (перетин захоплення 2,71 барна), він ще реагує при підвищених температурах з більшістю металів.

Галій не став атомним матеріалом. Правда, його штучний радіоактивний ізотоп 72Ga (з періодом напіврозпаду 14,2 години) застосовують для діагностики раку кісток. Хлорид і нітрат галію-72 адсорбуються пухлиною, і, фіксуючи характерне для цього ізотопу випромінювання, медики майже точно визначають розміри сторонніх утворень.

Як бачите, практичні можливості елемента № 31 досить широкі. Використовувати їх повністю поки не вдається через труднощі отримання галію - елемента досить рідкісного (1,5-10-3% ваги земної кори) І дуже розсіяного.

Власних мінералів галію відомо небагато. Перший і найвідоміший його мінерал, Галле CuGaS2, виявлений лише в 1956 р Пізніше були знайдені ще два мінерали, зовсім вже рідкісних.

Зазвичай же галій знаходять в цинкових, алюмінієвих, залізних рудах, а також в кам'яному вугіллі- як незначну домішку. І що характерно: чим більше ця домішка, тим важче її витягти, бо галію більше в рудах тих металів (,), які близькі йому за властивостями. Основна частина земної галію укладена в мінералах алюмінію.

Витяг галію - «задоволення» дороге. Тому елемент № 31 використовується в менших кількостях, ніж будь-який його сусід по періодичної системі.

Не виключено, звичайно, що наука найближчого майбутнього відкриє в галлії щось таке, що він стане абсолютно необхідним і незамінним, як це трапилося з іншим елементом, передбаченим Менделєєвим, - германием.

ПОШУКИ ЗАКОНОМІРНОСТЕЙ. Властивості галію передбачені Д. І. Менделєєвим за п'ять років до відкриття цього елемента. Геніальний російський хімік будував свої прогнози на закономірностях зміни властивостей по групах періодичної системи. Але і для Лекока де Буабодрана відкриття галію не було щасливою випадковістю. Талановитий спектроскопіст, він ще в 1863 р виявив закономірності в зміні спектрів близьких за властивостями елементів. Порівнюючи спектри індію і алюмінію, він прийшов в висновку, що у цих елементів може бути «побратим», лінії якого заповнили б прогалину в короткохвильової частини спектра. Саме таку відсутню лінію він шукав і знайшов в спектрі цинкової обманки з Пьеррфіта.

ГРА СЛІВ? За які історики науки бачать в назві елемента № 31 не тільки патріотизм, а й нескромність його першовідкривача. Щеплено вважати, що слово «галій» походить від латинського Gallia (Франція). Але при бажанні в тому ж слові можна угледіти натяк на слово «півень» 1 По-латині «півень» - gallus, по-французьки - le coq. Лекок де Буабодран?

ЗАЛЕЖНО ВІД ВІКУ, В мінералах галій часто супроводжує алюмінію. Цікаво, що співвідношення цих елементів в мінералі залежить від часу освіти мінералу. У польового шпату один атом галію припадає на 120 тис. Атомів алюмінію. У нефеліном, що утворилися набагато пізніше, це співвідношення вже 1: 6000, а в ще більш «молодий» скам'янілої деревини - всього 1:13.

ПЕРШИЙ ПАТЕНТ. Перший патент на застосування галію узятий ще на самому початку XX в. Елемент № 31 хотіли використовувати в дугових електричних лампах.

Сірку ВИТІСНЯЄ, СІРОЇ захищати. Цікаво відбуваються взаємодія галію з сірчаною кислотою. Воно супроводжується виділенням елементної сірки. При цьому обволікає поверхню металу і перешкоджає його подальшому розчиненню. Якщо ж обмити метал гарячою водою, реакція відновиться і буде йти до тих пір, поки на галію наросте нова «шкура» з сірки.

ШКІДЛИВИЙ ВПЛИВ. Рідкий галій взаємодіє з більшістю металів, утворюючи і интерметаллические з'єднання з досить низькими механічними властивостями. Саме тому зіткнення з галієм приводить багато конструкційні матеріали до втрати міцності. Найбільш стійкий до дії галію: при температурі до 1000 ° С він успішно протистоїть агресивності елемента № 31.

І ОКИС ТЕЖ! Незначні добавки окису галію помітно впливають на властивості оксидів багатьох металів. Так, домішка Ga2Оз до окіся цинку значно зменшує її спекаемость. Зате цинку в такому окисле набагато більше, ніж в чистому. А у двоокису титану при додавання Ga2О3 різко падає електропровідність.

ЯК ОТРИМУЮТЬ ГАЛІЙ. Промислових родовищ галієвих руд в світі на знайдено. Тому галій доводиться витягати з дуже небагатьох їм цинкових і алюмінієвих руд.

Оскільки і зміст в них галію неоднакові, способи отримання елемента № 31 досить різноманітні. Розповімо для прикладу, як витягають галій з цинкової обманки - мінералу, в якому цей елемент був виявленийвперше.

Перш за все цинкову обманку ZnS обпалюють, а що утворилися витравлюють сірчаної кислотою. Разом з багатьмаіншими металами галій переходить в розчин. Переважає в цьому розчині сульфат цинку - основний продукт, який треба р очистити від домішок, в тому числі і від галію. перша стадіяочищення - осадження так званого залізного шламу. При поступової нейтралізації кислого розчину цей шлам випаду про в осад. 13 ньому виявляється близько 10% алюмінію, 15% заліза і (що для пас зараз найбільш важливо) 0,05-0,1% галію. Для з потягу галію шлам витравлюють кислотою або їдким натром - гідроокис галію амфотерна. Лужний спосіб зручніше, оскільки в цьому випадку можна робити апаратуру з менш дорогих матеріалів.

Під дією лугу сполуки алюмінію і галію переходять в розчин. Коли цей розчин обережно нейтралізують, гідроокис галію випадає в осад. Але в осад переходить і частина алюмінію. Тому осад розчиняють ще раз, тепер вже в соляній кислоті. Виходить розчин хлористого галію, забруднене переважно хлористим алюмінієм. Розділити ці вдається екстракцією. Доливають ефір і, на відміну від AlCl3, GaCl3 майже повністю переходить в органічний розчинник. Шари розділяють, відганяють ефір, а отриманий хлорид галію ще раз обробляють концентрованим їдким натром, щоб перевести в осад і відокремити від галію домішка заліза. З цього лужного розчину і отримують металевий галій. Отримують електролізом при напрузі 5,5 в. Осаджують галій на мідному катоді.