Галій - Властивості хімічних елементів
Властивості дорогоцінних мінералів
Галій(лат. Gallium), Ga, хімічний елемент III групи періодичної системи Д. І. Менделєєва, порядковий номер 31, атомна маса 69,72; сріблясто-білий м'який метал. Складається із двох стабільних ізотопів із масовими числами 69 (60,5%) та 71 (39,5%).
Існування Галію ("екаалюмінію") і основні його властивості були передбачені в 1870 Д. І. Менделєєвим. Елемент був відкритий спектральним аналізом у піренейській цинковій обманці та виділений у 1875 році французьким хіміком П. Е. Лекоком де Буабодраном; названо на честь Франції (лат. Gallia). Точний збіг властивостей Галлія з передбачуваними був першим тріумфом періодичної системи.
Фізичні властивості Галію. Галій має ромбічну (псевдотетрагональну) решітку з параметрами а = 4,5197Å, b = 7,6601Å, c = 4,5257Å. Щільність (г/см 3 ) твердого металу 5,904 (20°С), рідкого 6,095 (29,8°С), тобто при затвердінні обсяг Галію збільшується; tпл 29,8°C, tкіп 2230°С. Відмінна риса Галію - великий інтервал рідкого стану (2200°С) та низький тиск пари при температурах до 1100-1200°С. Питома теплоємність твердого Галію 376,7 дж/(кг·К), тобто 0,09 кал/(г·град) в інтервалі 0-24°С, рідкого відповідно 410 дж/(кг·К), тобто 0,098 кал /(г·град) в інтервалі 29-100°С. Питомий електричний опір (ом·см) твердого Галію 53,4·10 -6 (0°С), рідкого 27,2·10 -6 (30°С). В'язкість (пуаз = 0,1 н · сек / м 2): 1,612 (98 ° С), 0,578 (1100 ° С), поверхневий натяг 0,735 н / м (735 дин / см) (30 ° С в атмосфері Н2). Коефіцієнти відображення для довжин хвиль 4360 і 5890 відповідно рівні 75,6% і 71,3%. Перетин захоплення теплових нейтронів 2,71 барна (2,7 10 -28 м 2 ).
Хімічні властивості Галію. наповітрі при звичайній температурі Галій стійок. Вище 260° З сухому кисні спостерігається повільне окислення (плівка оксиду захищає метал). У сірчаній та соляній кислотах Галій розчиняється повільно, у плавиковій – швидко, в азотній кислоті на холоді Галій стійкий. У гарячих розчинах лугів Галій повільно розчиняється. Хлор та бром реагують з Галлієм на холоду, йод – при нагріванні. Розплавлений Галій при температурах вище 300 ° С взаємодіє з усіма конструкційними металами та сплавами.
Найбільш стійкі тривалентні сполуки Галію, які багато в чому близькі за властивостями хімічних сполук алюмінію. Крім того, відомі одно- та двовалентні сполуки. Вищий оксид Gа2О3 - речовина білого кольору, нерозчинна у воді. Відповідний йому гідрооксид осідає з розчинів солей Галію у вигляді білого драглистого осаду. Вона має яскраво виражений амфотерний характер. При розчиненні в лугах утворюються галати (наприклад, Na[Ga(OH)4]), при розчиненні в кислотах - солі Галію: Ga2(SO4)3, GaCl3 та ін. Кислотні властивості у гідрооксиду Галію виражені сильніше, ніж у гідрооксиду алюмінію [ інтервал виділення Аl(ОН) 3 лежить у межах рН = 10,6-4,1, a Ga(OH)3 у межах рН = 9,7-3,4].
На відміну від Al(ОН) 3, гідрооксид Галію розчиняється у сильних лугах, а й у розчинах аміаку. При кип'ятінні з аміачного розчину знову випадає гідрооксид Галію.
З солей Галію найбільше значення мають хлорид GaCl3 (tпл 78°C, tкіп 200°C) та сульфат Ga2(SO4)3. Останній із сульфатами лужних металів та амонію утворює подвійні солі типу галунів, наприклад (NH4)Ga(SO4)2·12H2O. Галій утворює малорозчинний у воді та розведених кислотах фероціанід Ga4[Fe(CN)6]3, що може бути використане для його відокремлення від Аl та ряду інших елементів.
Отримання Галлія. Основне джерело отримання Галію – алюмінієве виробництво. Галій при переробці бокситів за способом Байєра концентрується в оборотних маточних розчинах після виділення Аl(ОН)3. З таких розчинів Галлію виділяють електролізом на ртутному катоді. З лужного розчину, отриманого після обробки амальгами водою, беруть в облогу Ga(OH)3, яку розчиняють у лугу і виділяють Галій електролізом.
При содово-вапняному способі переробки бокситової або нефелінової руди Галій концентрується в останніх фракціях опадів, що виділяються у процесі карбонізації. Для додаткового збагачення осад гідрооксидів обробляють вапняним молоком. При цьому більша частина Al залишається в осаді, а Галій переходить у розчин, з якого пропусканням СО2 виділяють галієвий концентрат (6-8% Gа2О3); останній розчиняють у лугу та виділяють Галій електролітично.
Джерелом Галію може служити залишковий анодний сплав процесу рафінування Al за методом тришарового електролізу. У виробництві цинку джерелами Галію є відгони (вельц-оксиди), що утворюються при переробці хвостів вилуговування цинкових недогарків.
Отриманий електролізом лужного розчину рідкий Галій, промитий водою та кислотами (НСl, HNO3), містить 99,9-99,95% Ga. Чистіший метал отримують плавкою у вакуумі, зонною плавкою або витягуванням монокристалу з розплаву.
Застосування Галію. Найбільш перспективне застосування Галію у вигляді хімічних сполук типу GaAs, GaP, GaSb, що мають напівпровідникові властивості. Вони можуть застосовуватися у високотемпературних випрямлячах та транзисторах, сонячних батареях та інших приладах, де може бути використаний фотоефект у замикаючому шарі, а також у приймачах інфрачервоного випромінювання. Галій можнавикористовувати для виготовлення оптичних дзеркал, що відрізняються високою відбивною здатністю. Сплав алюмінію з Галлієм запропонований замість ртуті як катод ламп ультрафіолетового випромінювання, які застосовуються в медицині. Рідкий Галій та його сплави запропоновано використовувати для виготовлення високотемпературних термометрів (600-1300 ° С) та манометрів. Цікавим є застосування Галію та його сплавів як рідкого теплоносія в енергетичних ядерних реакторах (цьому заважає активна взаємодія Галій при робочих температурах з конструкційними матеріалами; евтектичний сплав Ga-Zn-Sn має меншу корозійну дію, ніж чистий Галій).