Галлий (ga) химический элемент

Что такое галлий и какой это элемент? В настоящее время это редко встречающийся материал, востребованный в новом тысячелетии. В химии обозначается символом Ga. При этом через некоторое время было установлено его сходство с алюминием. Более подробные сведения и фото галлия рассмотрим далее.

Галий — что за металл или неметалл

Что это за металл галлий и где он используется. Рассматриваемый химический элемент Ga присутствует в группе легких металлов, в которой находятся алюминий, индий, германий, олово, сурьма. Вещество обладает хрупкостью и мягкостью, имеет серебристо-белый цвет с легким голубоватым оттенком и легко превращается в жидкость.

Сегодня это редкий элемент на Земле, в процентах его содержание можно сравнить с литием и свинцом. Свое название галлий получил по исторической области Галлии, частью которой когда-то была Франция. Это родина первооткрывателя представленного элемента.

Металл, который плавится в руках при комнатной температуре

Галлий может плавиться прямо в руках при обычной температуре. Нагретый элемент приводит к разрушению других металлических продуктов гораздо сильнее, чем любой расплавленный металл. Например, медь и алюминий пропитываются насквозь с попаданием вещества в кристаллическую решетку. В результате металлы окисляются и рассыпаются.

Галлий: температура плавления

Галлий по аналогии с цезием Cs начинает таять от тепла рук из-за необычно низкой температуры плавления 29.8°C, причем из-за необычной и нестабильной кристаллической структуры она намного ниже в отличие соседних алюминия и индия. Например, ложка из галлия может быстро расплавиться в чашке с горячим чаем. Но для кипения требуется его нагревание на 2200°C.

Галлий: электронная конфигурация и формула

В настоящее время электронная конфигурация Ga выглядит следующим образом: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p1. Электронная формула галия: Ga. Gallium относится к элементам p-семейства.

Степень окисления

Показатель окисления: +1, +2, +3. Наиболее устойчивыми считаются соединения Ga3+. В процессе нагревания происходит растворение элемента в разных минеральных кислотах с образованием гидролизующихся солей. Также это могут быть варианты растворов щелочей и аммиака.

Галлий: технология производства

Galium производится из галлита, угля, бокситов и нефилинов. Продукт можно получить традиционным способом из глиноземов, которые выделяются при переработке бокситов. Для этого щелочи подвергаются электролизу или спекаются. После извлечения из растворов алюмината натрия Na алюминия получается насыщенный осадок, который известкуется для создания галлиевого раствора.

Затем готовый металл достается с помощью электролиза. Для нейтрализации летучих примесей продукт окатывается водой, фильтруется и подогревается в специальной вакуумной печи. Особо чистый материал можно получить с помощью рафинирования или восстановления водородом.

Где используется галлий

До наступления цифровой эры галлий использовался в виде компонента легкоплавких сплавов. Сегодня главная сфера его применения — микроэлектроника, причем показатель достигает 96%. Вещество можно купить в малых количествах в граммах или в кг, причем многих интересует, сколько это стоит.

Промышленность

В промышленных отраслях галлий из-за своей редкости используется в ограниченном объеме для выполнения следующих задач:

• дублирование ядовитой ртути в термометрах и в вакуумных аппаратах, которые работают при повышенных температурах;
• смазка при соединении разнообразных деталей, созданных из кварца, стекла или керамики;
• использование в виде топлива для установок АЭС и теплообменников ядерных реакторов;
• производство термометров, используемых для измерения до 1200°С;
• использование для электроники, которая работает на сверхвысоких частотах;
• создание внешнего слоя зеркал специального назначения благодаря смачиваемости и хорошей отражательной способности;
• возможность сократить время зарядки аккумуляторов.

Галлий становится температурным стабилизатором и защищает от коррозии плутоний на АЭС, а также может применяться в приборах освещения. Значительная часть продукта перерабатывается в полупроводниковый арсенид, используемый для производства светодиодов.

Медицина

Галлий применяется в медицине в следующих целях:

• в онкологии препараты с галлием назначают для приостановки разрушения скелета пациентов;
• оперативная остановка кровотечения из проникающих ран без образования тромбов;
• уничтожение бактерий;
• оказание антибактериального эффекта, быстрое затягивание ран или ответ на лечение.

На биологическом уровне соединение галлия может в некоторых случаях использоваться в виде дублера. Сегодня легкоплавкий галлий заменяет ртуть в композициях для пломбирования зубов, причем мнение о его токсичности было опровергнуто многими учеными. В настоящее время в современной стоматологии начинают применяться безртутные пломбы.

Галлий в таблице Д.И. Менделеева и его порядковый номер

В таблице химических элементов, созданной Менделеевым, галлий находится под №31, причем он относится к группе легких металлов. Он располагается в 4 периоде, III группе, в главной подгруппе.

Физико-химические свойства и характеристика элемента

Галлий обладает ромбической решеткой. При затвердевании вещества происходит увеличение его объема. Отличительная особенность этого элемента — большой интервал между состояниями, а также низкий уровень давления пара при достигнутых температурах до 1100—1200°C.

При обычной температуре элемент достаточно устойчив. В серной и соляной кислотах или в приготовленных щелочных растворах происходит его медленное растворение. Быстро растворяется в концентрированной каустической соде, а также пассивируется азотной кислотой. При температуре более +300°C галлий начинает расплавляться, ртутить и взаимодействовать с разными металлами и имеющимися сплавами.

Трехвалентные соединения этого элемента обладают похожими данными с химическими соединениями алюминия. При растворении вещества в щелочах происходит образование галлатов, а в кислотах — химических солей галлия с выделением водорода. В чистом кислороде при повышенном давлении вещество может гореть ярким пламенем с образованием оксида.

Плотность галлия

Показатель в твердом виде составляет 5,904 г/см3, а в жидком —  6,095 г/см3. Галлий слабо подвержен химическим воздействиям, но весьма агрессивен в отношении других металлов. В них он может растворяться при значительных температурах.

Высшая степень окисления галлия

В разных соединениях галлий имеет показатель +3, например, Ga2O3, Ga(OH)3, GaCl3. Но в соединениях степень процесса окисления 3, 2, 1, причем это условный заряд. Основой связи в молекуле между атомами становится разделение электронов. При виртуальном увеличении заряда степень процесса окисления отрицательная, а при уменьшении положительная.

Теплопроводность

В настоящее время это способность материальных тел выполнять проведение энергии от более нагретых частей к менее нагретым  с помощью хаотического движения частиц тела. Теплопередача в материалах с низким показателем идет с меньшей скоростью.

Галлий имеет следующие показатели:

• 40,6 Вт/(м•К) при создании стандартных условий;
• 28,1 Вт/(м•К) при 300 K.

Строение

Галлий имеет положительно заряженное ядро. Вокруг него по четырем оболочкам осуществляется движение тридцать одного электрона. Из них 28 электронов находится на внутреннем уровне, а 3 располагаются на внешнем.

У галлия четыре оболочки:

• 1 внутренняя — s-орбиталь;
• 2 внутренняя — s- и р-орбитали;
• 3 внутренняя — s-, р- и d-орбитали;
• 4 внешняя — s-орбиталь.

В ядре этого элемента присутствуют 31 протон и 39 нейтронов.

Получение

В настоящее время более 90% галлия добывают из отходов алюминиевого или цинкового производства. Также для этого могут использоваться продукты переработки каменного угля.

Для получения чистого галлия для разных промышленных отраслей, используется метод зонной плавки или испарение в специальном созданном вакууме. Обнаружение выполняется с помощью типичных цветовых реакций.

Как был открыт и в честь чего назван галлий

Этот элемент был открыт 20 сентября 1875 года французским химиком Полем Эмилем Де Буабодраном.  Открытие произошло при исследовании спектра цинковой обманки, привезенной из Пиренеев. В нем была обнаружена совершенно новая фиолетовая линия, которая указала на присутствие в минерале неизвестного элемента.

После длительных опытов ученый выделил небольшое количество нового элемента и назвал его в честь древнего наименования территории, которая в последствии стала Францией. Сообщение об этом появилось в докладе Парижской Академии Наук, который был в дальнейшем прочитан Менделеевым.

Поль Эмиль Лекок де Буабодран

Где галлий существует в природе

Сегодня в природе галий встречается в незначительной степени и присутствует в виде примеси в алюминиевых, германиевых и цинковых рудах, поступающих на переработку. В основном получить его можно в качестве побочного продукта при производстве алюминия или цинка.

Воздействие на человека

В отличие от ртути, которая относится к токсичным веществам, галлий не опасен для здоровья. Он не испаряется при обычной температуре и считается безопасным для использования. Но при работе с ним требуется соблюдение определенных мер предосторожности. Это использование защитных перчаток и СИЗ из-за разъедающего действия на кожу и слизистые оболочки.

Является ли галлий токсичным

Галлий относится к условно токсичным и реактивным элементам. Для людей не вреден, поэтому информации о летальной дозе нет. Содержание этого элемента в организме определяется по результатам анализа мочи, крови и волос. При попадании вещества на кожу участок промывается большим количеством холодной воды. Разные манипуляции с этим элементом должны проводиться с осторожностью.

Заключение

Галлий — уникальный металл, присутствующий в таблице периодических химических элементов Дмитрия Ивановича Менделеева и обладающим широким спектром применений. Особенностями его эксплуатации в разных условиях становятся низкая химическая стойкость и устойчивость к процессам окисления при разных температурах. Элемент применяется в разных областях науки и технологий.