GALLIUM ist ein Metall, das in Ihren Händen schmilzt.

Metall-GALLIUM

Gallium ist ein Element der Hauptuntergruppe der dritten Gruppe der vierten Periode des Periodensystems der chemischen Elemente von D. I. Mendelejew mit der Ordnungszahl 31. Es wird mit dem Symbol Ga (lat. Gallium) bezeichnet. Gehört zur Gruppe der Leichtmetalle. Der einfache Stoff Gallium (CAS-Nummer: 7440-55-3) ist ein weiches, duktiles Metall von silberweißer (nach anderen Quellen hellgrauer) Farbe mit einer bläulichen Tönung.

Metall-GALLIUM

Gallium: Schmelzpunkt 29,76 °C

Geringe Toxizität, Sie können es aufheben und schmelzen!

Material für die Halbleiterelektronik

Galliumarsenid GaAs

Ein vielversprechendes Material für die Halbleiterelektronik.

Galliumnitrid

Wird bei der Herstellung von Halbleiterlasern und LEDs im blauen und ultravioletten Bereich verwendet. Galliumnitrid verfügt über hervorragende chemische und mechanische Eigenschaften, die für alle Nitridverbindungen typisch sind.

Gallium-71-Isotop

ist das wichtigste Material zum Nachweis von Neutrinos und in diesem Zusammenhang steht die Technik vor der dringenden Aufgabe, dieses Isotop aus einem natürlichen Gemisch zu isolieren, um die Empfindlichkeit von Neutrinodetektoren zu erhöhen. Da der Gehalt an 71Ga in einem natürlichen Isotopengemisch etwa 39,9 % beträgt, kann die Isolierung eines reinen Isotops und seine Verwendung als Neutrinodetektor die Nachweisempfindlichkeit um das 2,5-fache erhöhen.

Chemische Eigenschaften

Gallium ist teuer; im Jahr 2005 kostete eine Tonne Gallium auf dem Weltmarkt 1,2 Millionen US-Dollar, und aufgrund des hohen Preises und gleichzeitig des großen Bedarfs an diesem Metall ist es sehr wichtig, seine vollständige Gewinnung zu etablieren Aluminiumproduktion und Verarbeitung von Kohle in flüssigem Brennstoff.

Gallium hat eine Reihe von Legierungen, die bei Raumtemperatur flüssig sind, und eine seiner Legierungen hat einen Schmelzpunkt von 3 °C (In-Ga-Sn-Eutektikum), Gallium hingegen (Legierungen in geringerem Maße) ist sehr aggressiv gegenüber den meisten Strukturmaterialien (Risse und Erosion von Legierungen bei hohen Temperaturen). Beispielsweise ist Gallium im Verhältnis zu Aluminium und seinen Legierungen ein starker Festigkeitsreduzierer (siehe Adsorptionsminderung der Festigkeit, Rehbinder-Effekt). Diese Eigenschaft von Gallium wurde am deutlichsten von P. A. Rebinder und E. D. Shchukin beim Kontakt von Aluminium mit Gallium oder seinen eutektischen Legierungen (Flüssigmetallversprödung) nachgewiesen und im Detail untersucht. Als Kühlmittel ist Gallium wirkungslos und oft einfach inakzeptabel.

Gallium ist ein ausgezeichnetes Schmiermittel

Auf Basis von Gallium und Nickel, Gallium und Scandium sind praxisrelevante Metallklebstoffe entstanden.

Galliummetall wird auch zur Füllung von Quarzthermometern (anstelle von Quecksilber) zur Messung hoher Temperaturen verwendet. Dies liegt daran, dass Gallium im Vergleich zu Quecksilber einen deutlich höheren Siedepunkt hat.

Galliumoxid ist Teil einer Reihe strategisch wichtiger Lasermaterialien der Granatgruppe – GSGG, YAG, ISGG usw.

Die vielleicht berühmteste Eigenschaft von Gallium ist sein Schmelzpunkt, der bei 29,76 °C liegt. Es ist das zweitschmelzbarste Metall im Periodensystem (nach Quecksilber). Die Schmelzbarkeit und geringe Toxizität des Galliummetalls ermöglichten die Aufnahme dieses Fotos. Gallium ist übrigens eines der wenigen Metalle, die sich beim Erstarren der Schmelze ausdehnen (die anderen sind Bi, Ge).

Gallodent, Gallium-Zinn-Eutektikum
Galliummetall ist wenig toxisch und wurde früher sogar zur Herstellung von Füllungen (anstelle von Amalgamfüllungen) verwendet. Diese Anwendung basiert auf der Tatsache, dass beim Mischen von Kupferpulver mit geschmolzenem Gallium eine Paste entsteht, die nach einigen Stunden aushärtet (durch die Bildung einer intermetallischen Verbindung) und dann einer Erwärmung bis zu 600 Grad standhält, ohne zu schmelzen. Gallium ist sehr zerbrechlich (es kann wie Glas zerbrochen werden).

Große Galliumkristalle
Ein weiteres interessantes Merkmal von Gallium ist die Fähigkeit seiner Schmelze, unterzukühlen. Geschmolzenes Gallium kann auf etwa 10 bis 30 Grad unter seinen Schmelzpunkt abgekühlt werden und bleibt flüssig. Wenn Sie jedoch ein Stück festes Gallium oder Trockeneis in eine solche Schmelze werfen, beginnen daraus sofort große Kristalle zu wachsen. Das Foto zeigt einen erstarrenden Galliumbarren. Das Foto zeigt deutlich, dass an drei Stellen die Kristallisation begann und gleichzeitig drei große Einkristalle zu wachsen begannen, die sich dann trafen und einen Barren bildeten (dies geschah etwa zwei Stunden nach dem Schießen).

Galliumlöffel
Selbstgemachter Galliumlöffel. Video vom Schmelzen dieses Löffels:

Hochtemperatur-Gallium-Thermometer, Gallium-Quarz-Thermometer, Gallium-in-Thermometer
Hier ist eine weitere Verwendung für Gallium.
Gallium liegt über einen sehr weiten Temperaturbereich in flüssigem Zustand vor, und theoretisch könnten Galliumthermometer Temperaturen bis zu 2000 Grad messen. Die Verwendung von Gallium als thermometrische Flüssigkeit wurde erstmals vor langer Zeit vorgeschlagen. Gallium-Thermometer messen bereits Temperaturen bis zu 1200 Grad, doch der durchschnittliche Mensch hat nicht oft die Möglichkeit, diese Thermometer im Labor persönlich zu sehen.
Aus mehreren Gründen werden solche Thermometer nicht häufig verwendet. Erstens ist Gallium bei hohen Temperaturen eine sehr aggressive Substanz. Bei Temperaturen über 500 °C korrodiert es fast alle Metalle außer Wolfram und viele andere Materialien. Quarz ist gegenüber geschmolzenem Gallium bis zu 1100 °C beständig, allerdings kann es zu Problemen kommen, da Quarz (und die meisten anderen Gläser) von diesem Metall stark benetzt werden. Das heißt, Gallium bleibt einfach von innen an den Wänden des Thermometers haften und es ist unmöglich, die Temperatur herauszufinden. Ein weiteres Problem kann entstehen, wenn das Thermometer unter 28 Grad abkühlt. Wenn Gallium erstarrt, verhält es sich wie Wasser – es dehnt sich aus und kann das Thermometer einfach von innen zum Platzen bringen. Nun, der letzte Grund, warum ein Hochtemperatur-Gallium-Thermometer heute sehr selten zu finden ist, ist die Entwicklung von Technologie und Elektronik. Es ist kein Geheimnis, dass ein digitales Thermometer viel bequemer zu verwenden ist als ein Flüssigkeitsthermometer. Moderne Temperaturregler, beispielsweise mit Platin-Platin-Rhodium-Thermoelementen, ermöglichen die Messung von Temperaturen im Bereich von -200 bis +1600 °C mit einer für Flüssigkeitsthermometer unerreichbaren Genauigkeit. Darüber hinaus kann sich das Thermoelement in erheblicher Entfernung vom Regler befinden.

Gallium bildet mit vielen Metallen niedrig schmelzende eutektische Legierungen, die teilweise bei Temperaturen unter Raumtemperatur schmelzen.
Die Gallium-Indium-Legierung schmilzt bei einer Temperatur von 15,7 °C, ist also bei Raumtemperatur flüssig. Um eine solche Legierung herzustellen, ist es nicht einmal notwendig, die Metallmischung zu erhitzen, bis sie schmilzt; es reicht aus, nur Gallium- und Indiumstücke fest zusammenzupressen. Das Video zeigt, dass vom Kontaktpunkt zweier Metalle (der große Zylinder ist Gallium, der kleine ist Indium) eine eutektische Legierung zu tropfen beginnt.

Ein interessantes Experiment lässt sich nicht nur mit dem Schmelzen, sondern auch mit der Erstarrung von Gallium durchführen. Erstens ist Gallium einer der wenigen Stoffe, die sich beim Erstarren ausdehnen (genau wie Wasser), und zweitens unterscheidet sich die Farbe des geschmolzenen Metalls deutlich von der Farbe des Feststoffs.
Gießen Sie eine kleine Menge flüssiges Gallium in ein Glasfläschchen und legen Sie ein kleines Stück festes Gallium darauf (ein Kristallisationskeim, da Gallium unterkühlen kann). Das Video zeigt deutlich, wie Metallkristalle zu wachsen beginnen (sie haben einen bläulichen Farbton im Gegensatz zur silbrig-weißen Schmelze). Nach einiger Zeit lässt das expandierende Gallium die Blase platzen.
Der mittlere Teil des Videos (das Wachstum von Galliumkristallen) wurde zehnfach beschleunigt, sodass das Video nicht sehr lang war.

Genau wie Quecksilber kann aus geschmolzenem Gallium ein „schlagendes Herz“ hergestellt werden, obwohl es aufgrund der Tatsache, dass Gallium ein elektropositiveres Metall als Eisen ist, genau umgekehrt wirkt. Wenn die Spitze eines Nagels einen Tropfen geschmolzenen Galliums berührt, „spreizt“ dieser sich aufgrund einer Abnahme der Oberflächenspannung. Und sobald der Kontakt zum Nagel unterbrochen wird, erhöht sich die Oberflächenspannung und der Tropfen sammelt sich wieder, bis er den Nagel berührt.

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Chemie

Gallium Nr. 31

Gallium-Untergruppe. Der Gehalt jedes Mitglieds dieser Untergruppe in der Erdkruste nimmt entlang der Reihe Gallium (4-10~4%) - Indium (2-10~6) - Thallium (8-10-7) ab. Alle drei „Elemente sind extrem dispergiert und es ist nicht typisch, dass sie in Form bestimmter Mineralien vorkommen. Im Gegenteil, geringfügige Verunreinigungen ihrer Verbindungen enthalten Erze vieler Metalle. Ga, In und Ti werden aus Abfällen bei der Herstellung gewonnen die Verarbeitung solcher Erze.
Im freien Zustand sind Gallium, Indium und Thallium silberweiße Metalle. Ihre wichtigsten Konstanten werden im Folgenden verglichen:
Ga In Tl

Physikalische Eigenschaften von Gallium

Dichte, g/cjH3 5,9 7,3 11,9
Schmelzpunkt, °C. . . 30 157 304
Siedepunkt, °C... . 2200 2020 1475
Elektrische Leitfähigkeit (Hg = 1). . 2 11 6

Durch Härte Gallium nah an Blei, In und Ti – noch weicher 6-13.
In trockener Luft verändern sich Gallium und Indium nicht, und Thallium ist mit einem grauen Oxidfilm bedeckt. Beim Erhitzen verbinden sich alle drei Elemente energetisch mit Sauerstoff und Schwefel. Bei normalen Temperaturen reagieren sie mit Chlor und Brom, mit Jod jedoch nur beim Erhitzen. Ga, In und Ti liegen in der Spannungsreihe um Eisen und sind in Säuren löslich.14’ 15
Die übliche Wertigkeit von Gallium und Indium beträgt drei. Thallium ergibt Derivate, in denen es drei- und einwertig ist. 18
Galliumoxide und seine Analoga – weißes Ga 2 O 3, gelbes In203 und braunes T1203 – sind in Wasser unlöslich – die entsprechenden Hydroxide E (OH) 3 (die aus Salzen gewonnen werden können) sind gallertartige Sedimente, praktisch unlöslich in Wasser, aber löslich in Säuren. Weiße Ga- und In-Hydroxide sind auch in Lösungen starker Alkalien unter Bildung von Gallaten und Indaten ähnlich den Aluminaten löslich. Sie sind daher amphoterer Natur und die sauren Eigenschaften sind in 1n(OH) 3 weniger ausgeprägt und in Ga(OH) 3 stärker ausgeprägt als in Al(OH) 3. Daher ist Ga(OH) 3 neben starken Alkalien auch in starken Lösungen von NH 4 OH löslich. Im Gegensatz dazu löst sich rotbraunes Ti(OH) 3 nicht in Alkalien.
Die Ga"- und In"-Ionen sind farblos, das Ti"-Ion hat eine gelbliche Farbe. Die Salze der meisten daraus hergestellten Säuren sind in Wasser gut löslich, aber stark hydrolysiert; Von den löslichen Salzen schwacher Säuren unterliegen viele einer nahezu vollständigen Hydrolyse. Während für sie Derivate mit den niedrigeren Valenzen Ga und In nicht typisch sind, sind für Thallium die Verbindungen am charakteristischsten, in denen es einwertig ist. Daher haben T13+-Salze deutlich ausgeprägte oxidierende Eigenschaften.

Thalliumoxid (T120) entsteht durch die Wechselwirkung von Elementen bei hohen Temperaturen. Es ist ein schwarzes hygroskopisches Pulver. Thalliumoxid bildet mit Wasser gelbes Lachgashydrat (T10H), das beim Erhitzen leicht Wasser abspaltet und wieder in T120 übergeht.
Thalliumoxidhydrat ist gut wasserlöslich und eine starke Base. Die dabei gebildeten Salze sind meist farblos und
kristallisieren ohne Wasser. Chlorid, Bromid und Jodid sind nahezu unlöslich, einige andere Salze sind jedoch in Wasser löslich. Beliebiges TiOH und schwache Säuren führen aufgrund der Hydrolyse zu einer alkalischen Reaktion in Lösung. Unter dem Einfluss starker Oxidationsmittel (z. B. Chlorwasser) wird einwertiges Thallium zu dreiwertigem Thallium oxidiert.57-66
Hinsichtlich der chemischen Eigenschaften der Elemente und ihrer Verbindungen ähnelt die Gallium-Untergruppe in vielerlei Hinsicht der Germanium-Untergruppe. So ist für Ge und Ga die höhere Wertigkeit stabiler, für Pb und T1 die niedrigere, der chemische Charakter von Hydroxiden befindet sich in der Reihe Ge-Sn-Pb und Ga-In-Ti und ändert sich auf die gleiche Weise. Manchmal treten subtilere Ähnlichkeiten auf, beispielsweise die geringe Löslichkeit der Halogenidsalze (Cl, Br, I) von Pb und Ti. Allerdings gibt es auch erhebliche Unterschiede zwischen den Elementen beider Untergruppen (unter anderem aufgrund ihrer unterschiedlichen Wertigkeit): Der saure Charakter von Ga-Hydroxiden und seinen Analoga ist deutlich weniger ausgeprägt als der der entsprechenden Elemente der Germanium-Untergruppe; im Gegensatz zu PbF 2, Thalliumfluorid ist gut löslich usw.

Galliumpräparate

1. Alle drei Mitglieder der betrachteten Untergruppe wurden mit einem Spektroskop entdeckt: 1 Thallium – 1861, Indium – 1863 und Gallium – 1875. Das letzte dieser Elemente wurde von D. I. Mendeleev 4 Jahre vor seiner Entdeckung vorhergesagt und beschrieben (VI § 1). Natürliches Gallium besteht aus Isotopen mit den Massenzahlen 69 (60,2 %) und 71 (39,8); Indium-113 (4,3) und 115 (95,7); Thallium – 203 (29,5) und 205 (70,5 %).
2. Atome von Elementen der Gallium-Untergruppe haben im Grundzustand die Struktur der äußeren Elektronenschalen 4s2 34p (Ga), 5s25p (In), 6s26p (Tl) und sind einwertig, i Die Anregung dreiwertiger Zustände erfordert Kosten von 108 (Ga) , 100 (In) oder 129, (Ti) kcal/g-Atom. Aufeinanderfolgende Ionisierungsenergien betragen 6,00; 20,51; 30,70 für Ga; 5,785; 18,86; 28,03 für In: 6,106; 20,42; 29,8 eV für T1. Die Elektronenaffinität des Thalliumatoms wird auf 12 kcal/g-Atom geschätzt.
3. Für Gallium ist das seltene Mineral Gallit (CuGaS 2) bekannt. Spuren dieses Elements finden sich ständig in Zinkerzen. Bedeutend große Mengen davon: E (bis zu 1,5 %) wurden in der Asche einiger Kohlen gefunden. Der Hauptrohstoff für die industrielle Produktion von Gallium ist jedoch Bauxit, das meist geringe Verunreinigungen (bis zu 0,1 %) enthält. Es wird durch Elektrolyse aus alkalischen Flüssigkeiten gewonnen, die ein Zwischenprodukt bei der Verarbeitung von natürlichem Bauxit zu technischem Aluminiumoxid sind. Die jährliche weltweite Produktion von Gallium beträgt derzeit nur wenige Tonnen, kann aber deutlich gesteigert werden.
4. Indium fällt hauptsächlich als Nebenprodukt bei der komplexen Verarbeitung der Schwefelerze Zn, Pb und Cu an. Seine jährliche Weltproduktion beträgt mehrere zehn Tonnen.
5. Thallium kommt hauptsächlich in Pyrit (FeS2) vor. Daher ist Schlamm aus der Schwefelsäureproduktion ein guter Rohstoff zur Gewinnung dieses Elements. Die jährliche weltweite Produktion von Thallium ist geringer als die von Indium, beträgt aber auch mehrere zehn Tonnen.
6. Um Ga, In und T1 im freien Zustand zu isolieren, wird entweder die Elektrolyse von Lösungen ihrer Salze oder das Glühen der Oxide in einem Wasserstoffstrom verwendet. Die Schmelz- und Verdampfungswärmen von Metallen haben folgende Werte: 1,3 und 61 (Ga), 0,8 und 54 (In), 1,0 und 39 kcal/g-Atom (T1). Ihre Sublimationswärmen (bei 25 °C) betragen 65 (Ga), 57 (In) und 43 kcal/g-Atom (T1). Alle drei Elemente bestehen paarweise fast ausschließlich aus einatomigen Molekülen.
7. Das Kristallgitter von Gallium besteht nicht aus einzelnen Atomen (wie bei Metallen üblich), sondern aus zweiatomigen Molekülen (rf = 2,48 A). Es stellt somit einen interessanten Fall der Koexistenz molekularer und metallischer Strukturen dar (III § 8). Ga2-Moleküle bleiben auch in flüssigem Gallium erhalten, dessen Dichte (6,1 g/cm) größer ist als die Dichte des festen Metalls (Analogie zu Wasser und Wismut). Mit einem Druckanstieg geht ein Absinken der Schmelztemperatur von Gallium einher. Bei hohen Drücken wurde neben der üblichen Modifikation (Gal) die Existenz zweier weiterer Formen nachgewiesen. Tripelpunkte (mit flüssiger Phase) liegen für Gal-Gall bei 12.000 atm und 3 °C und für Gall-Gall bei 30.000 atm und 45 °C.
8. Gallium ist sehr anfällig für Unterkühlung und konnte bis zu -40 °C im flüssigen Zustand gehalten werden. Als Methode zur Reinigung von Gallium kann die wiederholte schnelle Kristallisation einer unterkühlten Schmelze dienen. In sehr reinem Zustand (99,999 %) wurde es durch elektrolytische Raffination sowie durch Reduktion von sorgfältig gereinigtem GaCl3 mit Wasserstoff gewonnen. Sein hoher Siedepunkt und die relativ gleichmäßige Ausdehnung beim Erhitzen machen Gallium zu einem wertvollen Material für die Füllung von Hochtemperaturthermometern. Trotz der äußerlichen Ähnlichkeit mit Quecksilber ist die gegenseitige Löslichkeit beider Metalle relativ gering (im Bereich von 10 bis 95 °C schwankt sie zwischen 2,4 und 6,1 Atomprozent für Ga in Hg und zwischen 1,3 und 3,8 Atomprozent für Hg in Ga). . Im Gegensatz zu Quecksilber löst flüssiges Gallium keine Alkalimetalle und benetzt viele nichtmetallische Oberflächen gut. Dies gilt insbesondere für Glas, bei dem durch Aufbringen von Gallium Spiegel erhalten werden können, die das Licht stark reflektieren (es gibt jedoch Hinweise darauf, dass sehr reines Gallium, das keine Indiumverunreinigungen enthält, Glas nicht benetzt). Die Abscheidung von Gallium auf einer Kunststoffbasis wird manchmal zur schnellen Herstellung von Funkschaltkreisen verwendet. Eine Legierung aus 88 % Ga und 12 % Sn schmilzt bei 15 °C, und einige andere galliumhaltige Legierungen (zum Beispiel 61,5 % Bi, 37,2 – Sn und 1,3 – Ga) wurden für Zahnfüllungen vorgeschlagen. Sie ändern ihr Volumen nicht mit der Temperatur und halten gut. Gallium kann auch als Dichtungsmittel für Ventile in der Vakuumtechnik eingesetzt werden. Allerdings ist zu bedenken, dass es bei hohen Temperaturen sowohl gegenüber Glas als auch vielen Metallen aggressiv ist.
9. Im Zusammenhang mit der Möglichkeit, die Galliumproduktion auszuweiten, wird das Problem der Assimilation (d. h. der praktischen Beherrschung) dieses Elements und seiner Verbindungen dringender, was Forschung erfordert, um Bereiche für ihre rationelle Verwendung zu finden. Es gibt einen Übersichtsartikel und Monographien zu Gallium.
10. Die Kompressibilität von Indium ist etwas höher als die von Aluminium (bei 10.000 atm beträgt das Volumen 0,84 des Originals). Mit steigendem Druck sinkt sein elektrischer Widerstand (auf 0,5 vom ursprünglichen Wert bei 70.000 atm) und die Schmelztemperatur steigt (bis zu 400°C bei 65.000 atm). Indium-Metallstäbe knirschen beim Biegen, ähnlich wie solche aus Zinn. Es hinterlässt einen dunklen Fleck auf dem Papier. Eine wichtige Verwendung von Indium ist mit der Herstellung von Germanium-Wechselstromgleichrichtern verbunden (X § 6 Zus. 15). Aufgrund seiner geringen Schmelzbarkeit kann es als Schmiermittel in Lagern wirken.
11. Die Zugabe einer kleinen Menge Indium zu Kupferlegierungen erhöht deren Beständigkeit gegenüber Meerwasser erheblich, und die Zugabe von Indium zu Silber verstärkt dessen Glanz und verhindert ein Anlaufen an der Luft. Der Zusatz von Indium verleiht Legierungen für Zahnfüllungen eine erhöhte Festigkeit. Die elektrolytische Beschichtung anderer Metalle mit Indium schützt diese gut vor Korrosion. Eine Legierung aus Indium und Zinn (Gewichtsverhältnis 1:1) lässt Glas gut mit Glas oder Metall verlöten, und eine Legierung aus 24 % In und 76 % Ga schmilzt bei 16 °C. Eine Legierung aus 18,1 % In mit 41,0 – Bi, 22,1 – Pb, 10,6 – Sn und 8,2 – Cd, schmelzend bei 47 °C, wird medizinisch bei komplexen Knochenbrüchen (anstelle von Gips) eingesetzt. Es gibt eine Monographie zur Chemie des Indiums
12. Die Kompressibilität von Thallium ist ungefähr die gleiche wie die von Indium, es sind jedoch zwei allotrope Modifikationen bekannt (hexagonal und kubisch), deren Übergangspunkt bei 235 °C liegt. Unter hohem Druck entsteht ein weiterer. Der Tripelpunkt aller drei Formen liegt bei 37.000 atm und 110°C. Dieser Druck entspricht einem abrupten Abfall des elektrischen Widerstands des Metalls um etwa das 1,5-fache (was bei 70.000 atm etwa dem 0,3-fachen des Normalwerts entspricht). Unter einem Druck von 90.000 atm schmilzt die dritte Form von Thallium bei 650 °C.
13. Thallium wird hauptsächlich zur Herstellung von Legierungen mit Zinn und Blei verwendet, die eine hohe Säurebeständigkeit aufweisen. Insbesondere eine Legierung mit einer Zusammensetzung von 70 % Pb, 20 % Sn und 10 % T1 widersteht der Einwirkung von Mischungen aus Schwefel-, Salz- und Salpetersäure gut. Es gibt eine Monographie über Thallium.
14. Gallium und kompaktes Indium sind gegenüber Wasser stabil, und Thallium wird in Gegenwart von Luft langsam von der Oberfläche zerstört. Gallium reagiert nur langsam mit Salpetersäure, Thallium reagiert jedoch sehr heftig. Im Gegenteil, Schwefelsäure und insbesondere Salzsäure lösen Ga und In leicht auf, während T1 viel langsamer mit ihnen interagiert (aufgrund der Bildung eines Schutzfilms aus schwerlöslichen Salzen auf der Oberfläche). Lösungen starker Alkalien lösen Gallium leicht, wirken nur langsam auf Indium und reagieren nicht mit Thallium. Gallium löst sich auch merklich in NH4OH. Flüchtige Verbindungen aller drei Elemente färben die farblose Flamme in charakteristischen Farben: Ga – für das Auge fast unsichtbares Dunkelviolett (L = 4171 A), In – Dunkelblau (L = 4511 A), T1 – Smaragdgrün (A, = 5351 A).
15. Gallium und Indium scheinen nicht giftig zu sein. Im Gegenteil, Thallium ist hochgiftig und hat eine ähnliche Wirkung wie Pb und As. Es beeinflusst das Nervensystem, den Verdauungstrakt und die Nieren. Die Symptome einer akuten Vergiftung treten nicht sofort auf, sondern erst nach 12 bis 20 Stunden. Bei sich langsam entwickelnden chronischen Vergiftungen (auch über die Haut) werden vor allem Unruhe und Schlafstörungen beobachtet. In der Medizin werden Thalliumpräparate zur Haarentfernung (bei Flechten etc.) eingesetzt. Thalliumsalze werden in Leuchtzusammensetzungen als Substanzen verwendet, die die Leuchtdauer verlängern. Sie erwiesen sich auch als gutes Mittel gegen Mäuse und Ratten.
16. In der Spannungsreihe liegt Gallium zwischen Zn und Fe und Indium und Thallium zwischen Fe und Sn. Die Ga- und In-Übergänge nach dem Schema E+3 + Ze = E entsprechen Normalpotentialen: -0,56 und -0,33 V (im sauren Medium) bzw. -1,2 und -1,0 V (im alkalischen Medium). Thallium wird durch Säuren in den einwertigen Zustand umgewandelt (Normalpotential -0,34 V). Der Übergang T1+3 + 2e = T1+ ist durch ein Normalpotential von +1,28 V in saurer Umgebung bzw. +0,02 V in alkalischer Umgebung gekennzeichnet.
17. Die Bildungswärmen der Oxide E2O3 des Galliums und seiner Analoga nehmen in der Reihe 260 (Ga), 221 (In) und 93 kcal/mol (T1) ab. Beim Erhitzen an der Luft wird Gallium praktisch nur zu GaO oxidiert. Daher wird Ga2O3 üblicherweise durch Dehydratisierung von Ga(OH)3 gewonnen. Indium bildet beim Erhitzen an der Luft In2O3, und Thallium bildet eine Mischung aus T12O3 und T120 mit einem umso höheren Gehalt an höherem Oxid, je niedriger die Temperatur ist. Thallium kann durch die Einwirkung von Ozon bis zu T1203 oxidiert werden.
18. Die Löslichkeit von E2O3-Oxiden in Säuren nimmt entlang der Ga-In-Tl-Reihe zu. In der gleichen Reihe nimmt die Stärke der Bindung des Elements mit Sauerstoff ab: Ga2O3 schmilzt bei 1795 °C ohne Zersetzung, 1n203 wandelt sich erst oberhalb von 850 °C in 1n304 um und fein zerkleinertes T1203 beginnt bereits bei etwa 90 °C Sauerstoff abzuspalten C. Um T1203 vollständig in T120 umzuwandeln, sind jedoch wesentlich höhere Temperaturen erforderlich. Unter Sauerstoffüberdruck schmilzt 1p203 bei 1910 °C und T1203 – bei 716 °C.
19. Die Hydratationswärmen von Oxiden nach dem Schema E203 + ZH20 = 2E(OH)3 betragen +22 kcal (Ga), +1 (In) und -45 (T1). Dementsprechend nimmt die Leichtigkeit der Wasserabspaltung durch Hydroxide von Ga zu T1 zu: Wenn Ga(OH)3 erst beim Kalzinieren vollständig dehydriert wird, dann wandelt sich T1(OH)3 in T1203 um, selbst wenn es unter der Flüssigkeit steht, aus der es stammt war isoliert.
20. Bei der Neutralisation saurer Lösungen von Galliumsalzen fällt dessen Hydroxid etwa im pH-Bereich = 3-4 aus. Frisch gefälltes Ga(OH)3 ist in starken Ammoniaklösungen gut löslich, mit zunehmendem Alter nimmt die Löslichkeit jedoch immer mehr ab. Sein isoelektrischer Punkt liegt bei pH = 6,8 und PR = 2·10~37. Für 1n(OH)3 wurde PR = 1 10-31 und für T1(OH)3 - 1 10~45 gefunden.
21. Für die zweite und dritte Dissoziationskonstante von Ga(OH)3 nach saurem und basischem Typ wurden folgende Werte ermittelt:

H3Ga03 /C2 = 5-10_I K3 = 2-10-12
Ga(OH)3 K2“2. S-P / NW = 4 -10 12
Somit stellt Galliumhydroxid einen Elektrolyten dar, der der idealen Amphoterizität sehr nahe kommt.

1. Der Unterschied in den sauren Eigenschaften von Galliumhydroxiden und seinen Analoga wird deutlich, wenn sie mit Lösungen starker Alkalien (NaOH, KOH) interagieren. Galliumhydroxid löst sich leicht und bildet Gallate vom Typ M, die sowohl in Lösung als auch im festen Zustand stabil sind. Beim Erhitzen verlieren sie leicht Wasser (Na-Salz bei 120, K-Salz bei 137 °C) und wandeln sich in die entsprechenden wasserfreien Salze vom Typ MGa02 um. Aus Lösungen gewonnene zweiwertige Metallgallate (Ca, Sr) zeichnen sich durch einen anderen Typ aus – M3 ■ 2H20, der ebenfalls nahezu unlöslich ist. Sie werden durch Wasser vollständig hydrolysiert.
   Thalliumhydroxid lässt sich leicht durch starke Alkalien peptisieren (unter Bildung eines negativen Sols), ist darin jedoch unlöslich und bildet keine Tallate. Durch die Trockenmethode (durch Verschmelzen von Oxiden mit den entsprechenden Carbonaten) wurden Derivate vom Typ ME02 für alle drei Elemente der Gallium-Untergruppe erhalten. Im Fall von Thallium handelte es sich jedoch um Oxidmischungen.
   1. Die effektiven Radien der Ga3+-, In3*- und T13*-Ionen betragen 0,62, 0,92 bzw. 1,05 A. In einer wässrigen Umgebung sind sie offenbar direkt von sechs Wassermolekülen umgeben. Solche hydratisierten Ionen sind gemäß dem Schema E(OH2)a G * E (OH2)5 OH + H etwas dissoziiert, und ihre Dissoziationskonstanten werden auf 3 ■ 10-3° (Ga) und 2 10-4 (In) geschätzt. .
   2. Die Halogenidsalze Ga3+, In3* und T13*‘ ähneln im Allgemeinen den entsprechenden A13*-Salzen. Neben Fluoriden sind sie relativ schmelzbar und nicht nur in Wasser, sondern auch in einer Reihe organischer Lösungsmittel gut löslich. Nur die gelben Gal3-Modelle sind lackiert.

   Die Existenz von Gallium („Eka-Aluminium“) und seine grundlegenden Eigenschaften wurden 1870 von D. I. Mendelejew vorhergesagt. Das Element wurde durch Spektralanalyse in Pyrenäen-Zinkblende entdeckt und 1875 vom französischen Chemiker P. E. Lecoq de Boisbaudran isoliert; benannt nach Frankreich (lat. Gallia). Die genaue Übereinstimmung der Eigenschaften von Gallium mit den vorhergesagten war der erste Triumph des Periodensystems.

   In der Natur sein und empfangen:

   Besteht aus zwei stabilen Isotopen mit den Massenzahlen 69 (60,5 %) und 71 (39,5 %). Der durchschnittliche Galliumgehalt in der Erdkruste ist mit 1,5·10 -3 Massen-% relativ hoch, was dem Gehalt an Blei und Molybdän entspricht. Gallium ist ein typisches Spurenelement. Das einzige Galliummineral, Gallit CuGaS 2, ist sehr selten. Die Geochemie von Gallium ist eng mit der Geochemie von Aluminium verbunden, was auf die Ähnlichkeit ihrer physikalisch-chemischen Eigenschaften zurückzuführen ist. Der Großteil des Galliums in der Lithosphäre ist in Aluminiummineralien enthalten. Der Galliumgehalt in Bauxit und Nephelin liegt zwischen 0,002 und 0,01 %. Erhöhte Konzentrationen von Gallium werden auch in Sphaleriten (0,01–0,02 %), in Steinkohlen (zusammen mit Germanium) sowie in einigen Eisenerzen beobachtet. China, die USA, Russland, die Ukraine und Kasachstan verfügen über bedeutende Galliumreserven.
   Die Hauptquelle für Gallium ist die Aluminiumproduktion. Bei der Verarbeitung von Bauxit wird Gallium nach der Abtrennung von Al(OH) 3 in Mutterlaugen konzentriert. Gallium wird aus solchen Lösungen durch Elektrolyse an einer Quecksilberkathode isoliert. Aus der nach der Behandlung des Amalgams mit Wasser erhaltenen alkalischen Lösung wird Ga(OH) 3 ausgefällt, das in Alkali gelöst und Gallium durch Elektrolyse isoliert wird.
   Flüssiges Gallium, das durch Elektrolyse einer alkalischen Lösung gewonnen und mit Wasser und Säuren (HCl, HNO 3) gewaschen wird, enthält 99,9–99,95 % Ga. Ein reineres Metall wird durch Vakuumschmelzen, Zonenschmelzen oder durch Ziehen eines Einkristalls aus der Schmelze erhalten.

   Physikalische Eigenschaften:

   Das Metall ist silberweiß, weich, schwer. Ein charakteristisches Merkmal von Gallium ist ein großer Bereich des flüssigen Zustands (Schmelzpunkt 29,8 °C, Siedepunkt 2230 °C) und ein niedriger Dampfdruck bei Temperaturen von bis zu 1100–1200 °C. Die Dichte des festen Metalls beträgt 5,904 g/cm 3 (20 °C) und ist damit niedriger als die des flüssigen Metalls, sodass kristallisierendes Gallium wie Eis eine Glasampulle zerbrechen kann. Die spezifische Wärmekapazität von festem Gallium beträgt 376,7 J/(kg K).

   Chemische Eigenschaften:

   In der Luft ist Gallium bei normalen Temperaturen stabil. Oberhalb von 260 °C findet in trockenem Sauerstoff eine langsame Oxidation statt (der Oxidfilm schützt das Metall). Chlor und Brom reagieren mit Gallium in der Kälte, Jod – beim Erhitzen. Geschmolzenes Gallium interagiert bei Temperaturen über 300 °C mit allen Strukturmetallen und Legierungen (außer W) und bildet intermetallische Verbindungen.
   Beim Erhitzen unter Druck reagiert Gallium mit Wasser: 2Ga + 4H 2 O = 2GaOOH + 3H 2
   Ga reagiert langsam mit Mineralsäuren unter Freisetzung von Wasserstoff: 2Ga + 6HCl = 2GaCl 3 + 3H 2
   Gleichzeitig löst sich Gallium in Schwefel- und Salzsäure langsam, in Flusssäure schnell und in Salpetersäure ist Gallium in der Kälte stabil.
   Gallium löst sich in heißen Alkalilösungen langsam auf. 2Ga + 6H 2 O + 2NaOH = 2Na + 3H 2

   Die wichtigsten Verbindungen:

   Galliumoxid, Ga 2 O 3 – weißes oder gelbes Pulver, Schmelzpunkt 1795 °C. Es wird durch Erhitzen von Galliummetall an der Luft auf 260 °C oder in einer Sauerstoffatmosphäre oder durch Kalzinieren von Galliumnitrat oder -sulfat gewonnen. Existiert in Form von zwei Modifikationen. Reagiert langsam mit Säuren und Laugen in Lösung und weist amphotere Eigenschaften auf:
   Galliumhydroxid, Ga(OH) 3 – fällt bei der Behandlung von Lösungen dreiwertiger Galliumsalze mit Alkalimetallhydroxiden und -carbonaten (pH 9,7) in Form eines geleeartigen Niederschlags aus. Kann durch Hydrolyse dreiwertiger Galliumsalze gewonnen werden.
   Es weist amphotere, mit überwiegend sauren Eigenschaften auf; wenn es in Alkalien gelöst wird, bildet es sich Gallate(zB Na). Löst sich in konzentriertem Ammoniak und konzentrierter Ammoniumcarbonatlösung und fällt beim Kochen aus. Durch Erhitzen kann Galliumhydroxid in GaOOH, dann in Ga 2 O 3 *H 2 O und schließlich in Ga 2 O 3 umgewandelt werden.
   Galliumsalze. GaCl 3 – farblose hygroskopische Kristalle. Schmelzpunkt 78 °C, Siedepunkt 215 °C Ga 2 (SO 4) 3 *18H 2 O – eine farblose Substanz, gut wasserlöslich, bildet Doppelsalze wie Alaun. Ga(NO 3) 3 * 8H 2 O – farblose Kristalle, löslich in Wasser und Ethanol
   Galliumsulfid, Ga 2 S 3 – gelbe Kristalle oder weißes amorphes Pulver mit einem Schmelzpunkt von 1250 °C, zersetzt sich mit Wasser.
   Galliumhydride gewonnen aus Organogalliumverbindungen. Ähnlich wie Bor- und Aluminiumhydride: Ga 2 H 6 – Digallan, flüchtige Flüssigkeit, Schmelzpunkt – 21,4 °C, Siedepunkt 139 °C. x – Polygallan, weißer Feststoff. Hydride sind instabil und zersetzen sich unter Freisetzung von Wasserstoff.
   Lithiumgalanat, Li wird in ätherischer Lösung durch die Reaktion 4LiH + GaCl 3 = Li + 3LiCl erhalten
   Farblose Kristalle, instabil, hydrolysiert mit Wasser unter Freisetzung von Wasserstoff.

   Anwendung:

   Aus Gallium lassen sich optische Spiegel mit hoher Reflektivität herstellen.
   Gallium ist ein ausgezeichnetes Schmiermittel. Fast sehr wichtige Metallklebstoffe wurden auf der Basis von Gallium und Nickel, Gallium und Scandium hergestellt.
   Galliumarsenid GaAs sowie GaP, GaSb, die Halbleitereigenschaften haben, sind vielversprechende Materialien für die Halbleiterelektronik. Sie können in Hochtemperaturgleichrichtern und -transistoren, Solarzellen und Infrarotstrahlungsempfängern eingesetzt werden.
   Galliumoxid ist Bestandteil wichtiger Lasermaterialien der Granatgruppe – GSGG, YAG, ISGG usw.
   Gallium ist teuer; im Jahr 2005 kostete eine Tonne Gallium auf dem Weltmarkt 1,2 Millionen US-Dollar, und aufgrund des hohen Preises und gleichzeitig des großen Bedarfs an diesem Metall ist es sehr wichtig, seine vollständige Gewinnung zu etablieren Aluminiumproduktion und Verarbeitung von Kohle in flüssigem Brennstoff.
   

   Ivanov Alexey
   HF Staatliche Universität Tjumen, 561 Gruppe.

   Gallium ist ein chemisches Element mit der Ordnungszahl 31. Es gehört zur Gruppe der Leichtmetalle und wird mit dem Symbol „Ga“ bezeichnet. Gallium kommt in der Natur nicht in reiner Form vor, seine Verbindungen kommen jedoch in vernachlässigbaren Mengen in Bauxit und Zinkerzen vor. Gallium ist ein weiches, duktiles, silberfarbenes Metall. Bei niedrigen Temperaturen liegt es in einem festen Zustand vor, schmilzt jedoch bei einer Temperatur, die nicht viel höher als Raumtemperatur (29,8 °C) ist. Im Video unten können Sie sehen, wie ein Galliumlöffel in einer Tasse heißen Tee schmilzt.

   

   1. Von der Entdeckung des Elements im Jahr 1875 bis zum Beginn des Halbleiterzeitalters wurde Gallium hauptsächlich zur Herstellung niedrig schmelzender Legierungen verwendet.

   

   2. Derzeit wird in der Mikroelektronik ausschließlich Gallium verwendet.

   

   3. Galliumarsenid, die wichtigste Elementverbindung, wird in Mikrowellenschaltungen und Infrarotanwendungen verwendet.

   

   4. Galliumnitrid wird bei der Herstellung von Halbleiterlasern und LEDs im blauen und ultravioletten Bereich weniger verwendet.

   

   5. Gallium spielt keine der Wissenschaft bekannte biologische Rolle. Da sich Galliumverbindungen und Eisensalze in biologischen Systemen jedoch ähnlich verhalten, ersetzen Galliumionen in medizinischen Anwendungen häufig Eisenionen.

   

   6. Derzeit werden pharmazeutische und radioaktive Arzneimittel entwickelt, die Gallium enthalten.

   

   
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