Характеристика галлия

Размещено на http://www.allbest.ru/

Галлий

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.

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^[3].

Химические свойства

Химические свойства галлия близки к свойствам алюминия. Оксидная плёнка, образующаяся на поверхности металла на воздухе, предохраняет галлий от дальнейшего окисления. Галлий реагирует с горячей водой. Галлий взаимодействует с минеральными кислотами с выделением водорода и образованием. Продуктами реакции с щелочами и карбонатами калия и натрия являются гидроксогаллаты ,Галлий реагирует с галогенами: реакция с хлором и фтором идёт при комнатной температуре, с бромом -- уже при ?35 °C (около 20 °C -- с воспламенением), взаимодействие с иодом начинается при нагревании. 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 вольфрамустойчивы к действию расплава галлия до 800 °C, алунд и оксид бериллия -- до 1000 °C, тантал, молибден и ниобий устойчивы до 400ч450 °C.С большинством металлов галлий образует галлиды, исключением являются висмут, а также металлы подгрупп цинка, скандия, титана. Один из галлидов V₃Ga имеет довольно высокую температуру перехода в сверхпроводящее состояние 16,8 K. Галлий образует гидридогаллаты. Устойчивость ионов падает в ряду BH₄^? > AlH₄^? > GaH₄^?. Ион BH₄^? устойчив в водном растворе, AlH₄^? и GaH₄^? быстро гидролизуются. При растворении Ga(OH)₃ и Ga₂O₃ в кислотах образуются аквакомплексы [Ga(H₂O)₆]³⁺, поэтому из водных растворов соли галлия выделяются в виде кристаллогидратов, например, хлорид галлия GaCl₃*6H₂O, галлийкалиевые квасцы KGa(SO₄)₂*12H₂O. Аквакомплексы галлия в растворах бесцветны.

Физические свойства

Кристаллический галлий имеет несколько полиморфных модификаций, однако термодинамический устойчивой является только одна (I), имеющая орторомбическую(псевдотетрагональную) решётку с параметрами а = 4,5186 Е, b = 7,6570 Е, c = 4,5256 Е^[1]. Другие модификации галлия (в, г, д, е) 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^[1].Плотность галлия в твёрдом состоянии при температуре T=20 °C равна 5,904 г/смі, жидкий галлий при T=29,8 °C имеет плотность 6,095 г/смі, то есть при затвердевании объём галлия увеличивается. Температура плавления галлия немного выше комнатной и равна T_пл.=29,8 °C, кипит галлий при T_кип.=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 Е и 5890 Е 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 мІ и 5,1·10^?28 мІ, соответственно.

Получение

Наиболее мощным потенциальным источником получения галлия служат растворы глинозёмного производства при переработке боксита и нефелина. 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. Галлий можно получить с помощью переработки полиметаллических руд, угля. 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. галлий раствор полупроводниковый переработка

Применение

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, но с другой стороны галлий (сплавы в меньшей степени) весьма агрессивен к большинству конструкционных материалов (растрескивание и размывание сплавов при высокой температуре). 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 с ртутью. Оксид галлия входит в состав ряда стратегически важных лазерных материалов группы гранатов -- ГСГГ, ИАГ, ИСГГ.

Размещено на Allbest.ru